俯視一洼碧綠的池塘——這抹綠意來(lái)自于其中繁衍興盛的藻類家族。其中的葉綠體，植物細(xì)胞的「光動(dòng)力裝置」，在默默地生產(chǎn)代謝之外，也吸引到了合成生物學(xué)的注意力。

葉綠體合成生物學(xué)有望通過(guò)改善質(zhì)體的功能來(lái)推進(jìn)光合作用生物。然而，由于遺傳工具的稀缺和植物系統(tǒng)的低吞吐量，葉綠體工程工作面臨局限性。

德國(guó)馬克斯·普朗克陸地微生物研究所（Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology）的研究者們正嘗試讓這個(gè)想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。他們開(kāi)發(fā)了一套一套模塊化高通量葉綠體工程平臺(tái)， 能像拼裝積木一樣構(gòu)建、測(cè)試上百種葉綠體基因組合，在短時(shí)間內(nèi)篩選出高性能的「綠色系統(tǒng)」。

該研究以「A modular high-throughput approach for advancing synthetic biology in the chloroplast of Chlamydomonas」為題，于 2025 年 11 月 3 日發(fā)布在《Nature Plants》。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-02126-2

來(lái)改造葉綠體試試

葉綠體（chloroplast）是植物細(xì)胞的能量中心，也是碳固定和光合作用的核心場(chǎng)所。然而，它有一個(gè)科學(xué)家頭疼已久的問(wèn)題：難以被系統(tǒng)性地工程化。

不同于細(xì)菌或酵母，葉綠體擁有自己獨(dú)立的基因組和轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)。這意味著，倘若要在葉綠體內(nèi)導(dǎo)入外源基因，就會(huì)帶來(lái)各種復(fù)雜低效甚至無(wú)用的的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了系統(tǒng)地表征數(shù)千個(gè)轉(zhuǎn)葉綠體 C. reinhardtii 菌株中的遺傳元件，該研究所的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)化工作流程，專門用于葉綠體基因組的模塊化和合成工程。通過(guò)自動(dòng)化裝配和篩選流程，他們一次性構(gòu)建并測(cè)試了超過(guò) 140 種調(diào)控元件組合，包括啟動(dòng)子（promoter）、非翻譯區(qū)（UTR）、連接序列和報(bào)告基因模塊。

圖 1：生成和高通量表征轉(zhuǎn)葉綠體 Chlamydomonas reinhardtii 菌株的工作流程。

在三周內(nèi)，通過(guò)在平板上同時(shí)篩選每種構(gòu)建體的 16 個(gè)重復(fù)菌落，可以輕松將 80%的轉(zhuǎn)化子驅(qū)動(dòng)到同質(zhì)葉綠體狀態(tài)，僅觀察到輕微的損失（總計(jì)約 2% 的損失）。使用此工作流程，挑取和劃線所需的時(shí)間減少了約八倍（從每周 16 小時(shí)處理 384 個(gè)菌株減少到每周 2 小時(shí)），而年維護(hù)成本減少了兩倍。

圖 2：建立葉綠體工程的基本工具。

團(tuán)隊(duì)所提供的庫(kù)有超過(guò) 300 個(gè)組件，所有組件都符合常見(jiàn)的生物技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此該 DNA 庫(kù)可以在其他實(shí)驗(yàn)室中輕松使用。

合成光呼吸通路

既然現(xiàn)在可以穩(wěn)定地將多個(gè)基因組合到葉綠體中，并且預(yù)測(cè)其活性，團(tuán)隊(duì)將一個(gè)合成代謝途徑引入了微藻的葉綠體中，作為他們的概念驗(yàn)證。

圖 3：設(shè)計(jì)和測(cè)試合成葉綠體啟動(dòng)子及葉綠體轉(zhuǎn)化庫(kù)。

在克隆轉(zhuǎn)化后，團(tuán)隊(duì)從 10000 個(gè)菌落中選擇了 1536 個(gè)作為例子，進(jìn)行第二次篩選，最終獲得 768 個(gè)測(cè)試?yán)?。雖然在三次重復(fù)熒光技術(shù)檢測(cè)后，90% 的菌株微弱或無(wú)光，但也有 10% 顯示了廣泛的 mScarlet 熒光信號(hào)。在這其中，通過(guò)抽樣，越有 82% 包含一個(gè)獨(dú)特的序列，剩下的則表現(xiàn)出序列混合。

接下來(lái)，工程化的代謝途徑使微藻在脅迫條件下更有效地吸收 CO?，結(jié)果生物量產(chǎn)量幾乎翻了一番——「渦輪增壓微藻」。這表明對(duì)葉綠體代謝的靶向干預(yù)可以提高生產(chǎn)力。

這些發(fā)現(xiàn)不僅為葉綠體提供了超過(guò) 20 個(gè)額外的合成啟動(dòng)子序列，還證明了葉綠體中文庫(kù)轉(zhuǎn)化的強(qiáng)大力量，為葉綠體合成生物學(xué)和工程開(kāi)辟了新的可能性。

未來(lái)的可編程作物

新的數(shù)據(jù)庫(kù)為廣泛的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，例如提高植物對(duì)熱、干旱或強(qiáng)光的抵抗力、改善營(yíng)養(yǎng)成分或增加產(chǎn)量。它還可以作為新型碳固定途徑或高價(jià)值天然化合物生產(chǎn)的平臺(tái)。

這一平臺(tái)并不僅限于藻類，由于構(gòu)建模塊基于標(biāo)準(zhǔn)化 DNA 語(yǔ)法和兼容接口，它可以與植物葉綠體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)直接對(duì)接。這意味著未來(lái)科學(xué)家能在幾周內(nèi)完成對(duì)成千上萬(wàn)種基因組合的測(cè)試，然后選擇最優(yōu)模塊用于作物改良。這種高通量策略在全球氣候變暖、糧食壓力增大的當(dāng)下，或許會(huì)成為下一場(chǎng)農(nóng)業(yè)革命的引爆點(diǎn)。

https://phys.org/news/2025-11-automated-chloroplast-screening-platform-crop.html