Nannochloropsis es un género de algas que comprende seis especies conocidas. El género de la clasificación taxonómica actualfue denominado por primera vez por Hibberd (1981). [2] La especie se conoce principalmente en el medio marino, pero también se encuentra en agua dulce y salobre. [3] Todas las especies son esferas pequeñas e inmóviles que no expresan ninguna característica morfológica distinta que pueda distinguirse por microscopía óptica o electrónica . La caracterización se realiza principalmente mediante el gen rbcL y el rRNA 18S.análisis de secuencia. [4]
Nanocloropsis | |
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Nannochloropsis vista bajo un microscopio óptico | |
clasificación cientifica | |
Clade : | SAR |
Filo: | Ochrophyta |
Clase: | Eustigmatophyceae |
Pedido: | Eustigmatales |
Familia: | Monodopsidáceas |
Género: | Nannochloropsis D.J. Hibberd, 1981 [1] |
Especie tipo | |
Nannochloropsis oculata (Droop 1955) Hibberd 1981 |
Las algas del género Nannochloropsis difieren de otros relacionados microalgas en que tienen clorofila a y completamente carecen de clorofila b y clorofila c . Además, son capaces de acumular altas concentraciones de una variedad de pigmentos como astaxantina , zeaxantina y cantaxantina . [5] Tienen un diámetro de aproximadamente 2 a 3 micrómetros [6] y una ultraestructura muy simple con elementos estructurales reducidos en comparación con taxones vecinos.
La nanocloropsis se considera un alga prometedora para aplicaciones industriales debido a su capacidad para acumular altos niveles de ácidos grasos poliinsaturados . [7] [8] Además, muestra características prometedoras que pueden permitir la manipulación genética dirigida a la mejora genética de las cepas oleaginosas actuales . De hecho, varias especies de Nannochloropsis son transfectables y ha habido evidencia de que algunas cepas son capaces de realizar una recombinación homóloga. [9] Por el momento, se utiliza principalmente como fuente de alimento rica en energía para larvas de peces y rotíferos . Sin embargo, también ha despertado un interés creciente por la investigación de la producción de biocombustible a partir de organismos fotosintéticos . (ver Nannocloropsis y biocombustibles ). Nannochloropsis se utiliza actualmente como aditivo alimentario para la nutrición humana y también se sirve en el Restaurante "A Poniente" de El Puerto de Santa María ( Cádiz , España ) cerca del entorno natural donde se aisló y sigue creciendo Nannochloropsis gaditana . [10] Un estudio de 2020 sugiere que podría usarse para un alimento sin pescado de alto rendimiento y sostenible para peces de piscifactoría . [11] [12]
Especies
Las especies actualmente reconocidas son:
- Nannochloropsis australis Fawley, Jameson y Fawley 2015
- Nannochloropsis gaditana Lubián 1982
- Nannochloropsis granulata Karlson y Potter 1996
- Nannochloropsis limnetica Krienitz y col. 2000
- Nannochloropsis oceanica Suda y Miyashita 2002
- Nannochloropsis oculata (Droop 1955) Hibberd 1981
- Nannochloropsis salina Hibberd 1981
Genomas secuenciados
La comunidad científica ha obtenido la secuencia genómica de diferentes cepas de Nannochloropsis pertenecientes a dos especies : N. gaditana [13] [14] y N. oceanica . [15] [16] Un portal del genoma basado en el genoma de N. gaditana B-31 permite acceder a gran parte de la información genómica que concierne a este microorganismo ; además, también se encuentran disponibles páginas web dedicadas a los genomas de N. gaditana CCMP526 y N . oceanica CCMP1779 .
Los genomas de las cepas de Nannochloropsis secuenciadas tenían entre 28,5 y 29 Mega bases de longitud, tenían una alta densidad de genes , un contenido de intrones reducido , regiones intergénicas cortas [13] y una presencia muy limitada de secuencias repetitivas. [15] Los genes de las dos especies comparten una gran similitud.
El análisis de los genomas reveló que estas microalgas tienen un conjunto de genes para la síntesis e incorporación en la pared celular de celulosa y fucanos sulfatados y que son capaces de almacenar carbono en polímeros de β-1,3- y β-1,6 glucosa ligada llamada crisolaminarina . [13] Un análisis de RMN de células de algas enteras que fueron cultivadas en crecimiento autótrofo [17] reporta evidencia de la presencia de celulosa en la pared celular y de crisolaminarina móvil, probablemente acumulada en solución en vacuolas dentro de la célula.
La comparación entre los genes metabólicos de los lípidos de N. gaditana y las algas rojas / verdes / pardas y las diatomeas proporcionó algunas ideas sobre la producción de lípidos ejemplar de los cultivos de Nannochloropsis . De hecho, las comparaciones destacaron la presencia de un repertorio ampliado de algunos de los genes implicados en el ensamblaje de TAG en Nannochloropsis . [14] Se identificaron numerosas lipasas TAG , que pueden afectar el metabolismo de TAG a través de la degradación de TAG o la remodelación de lípidos , en Nannochloropsis , [15] muchas de ellas pertenecientes a una familia de genes que parece ser exclusiva de Nannochloropsis . [18]
El análisis de los datos genómicos sugirió la presencia en las dos especies de Nannochloropsis de ARN regulador y, en particular, de miARN . [13] [15]
Se encontraron varios ortólogos de proteínas sensibles a la luz azul conocidas en los genomas de Nannochloropsis, lo que sugiere una posible regulación circadiana . [13] [15]
Una comunidad de investigación del Instituto de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos de Qingdao (QIBEBT [1] ), Academia de Ciencias de China , secuenció y comparó seis genomas de Nannochloropsis que incluyen dos cepas de N. oceanica (IMET1 y CCMP531) y una cepa de cada una de las otras cuatro reconocidas especies : N. salina (CCMP537), N. gaditana (CCMP526, que se informó anteriormente [14] ), N. oculata (CCMP525) y N. granulata (CCMP529). [19] Descubrieron que los seis genomas comparten rasgos oleaginosos clave, como la expansión de la dosis de genes de genes seleccionados de biosíntesis de lípidos en comparación con las algas verdes Chlamydomonas . El ejemplo más destacado de expansión de la dosis de genes es la diacilglicerol aciltransferasa (DGAT), que cataliza el último paso de la síntesis de triacilglicerol (TAG). Hay 13 genes DGAT en Nannochloropsis , que representan la dosis génica más alta en los genomas conocidos.
A través de un análisis filogenético completo , los investigadores propusieron que entre los 11 DGAT-2, un gen podría originarse del endosimbionto secundario relacionado con las algas rojas , cuatro del endosimbionto relacionado con las algas verdes y los otros seis del genoma del hospedador eucariota. Además, una gran proporción (15,3%) de genes relacionados con la biosíntesis de TAG fueron adquiridos por Nannochloropsis mediante transferencia horizontal de genes (HGT) de bacterias . Por lo tanto, la combinación de múltiples genomas y el intercambio genético horizontal, junto con la herencia selectiva de genes de síntesis de lípidos y la pérdida de genes específicos de la especie, han dado lugar al enorme aparato genético de la oleaginosidad y la amplia divergencia genómica entre las actuales Nannochloropsis spp.
Acumulación de aceite en la privación de nitrógeno
Cuando se cultivan en condiciones normales de crecimiento en medio estándar f / 2 suplementado con nitrógeno, las células de Nannochloropsis tienen un contenido de aceite de aproximadamente el 30% de su peso seco. Este aceite se puede utilizar para producir biodiésel . Para producir biodiésel , debe aumentarse el contenido de aceite de los cultivos de Nannochloropsis . Se demostró que la biosíntesis de ácidos grasos en N. oceanica está integrada con la regulación de la vía biosintética del colesterol, lo que sugiere nuevos enfoques de ingeniería genética o biología química para mejorar la producción de aceite en microalgas. [20] Por otro lado, se observó que varias condiciones de cultivo aumentan el contenido medio de aceite por célula, lo que favorece, sin embargo, solo tasas de crecimiento lentas de los cultivos (véase la sección relacionada Nannocloropsis y biocombustibles ) y reduce la productividad general. Entre estas condiciones, la privación de nitrógeno ha sido una de las más estudiadas. Los estudios han examinado el comportamiento de los cultivos en estrés por nitrógeno en diversas configuraciones de cultivo, así como la respuesta fisiológica y molecular de las células a la privación de nitrógeno.
Se demostró que varias cepas de Nannochloropsis acumulan hasta un 60-70% de su biomasa total como lípidos en la limitación de nitrógeno. [8] [21] En esta condición, no solo cambia la cantidad de lípidos , sino también la composición. Se observó que los triacilgliceroles aumentan en gran medida en la depleción de nitrógeno mientras que otros lípidos , principalmente glicerolípidos polares , ácidos grasos libres y diacilgliceroles , disminuyen ligeramente. El aumento de triacilgliceroles en la depleción de nitrógeno es mucho mayor que la disminución de los otros glicerolípidos , lo que apoya la hipótesis de que las células sintetizan activamente nuevos triacilgliceroles en lugar de simplemente transformar los lípidos existentes en triacilgliceroles . [22]
Mientras los triacilgliceroles se acumulan y las gotitas de lípidos aumentan de tamaño, se producen otros cambios morfológicos importantes. Los cloroplastos se hacen más pequeños y la cantidad de lípidos característicos de las membranas fotosintéticas disminuye significativamente. El rendimiento fotosintético disminuye en las células agotadas en nitrógeno, pero aún es suficiente para impulsar la supervivencia y el crecimiento celular. Si la fotosíntesis se inhibe de hecho, las células de Nannochloropsis dejan de crecer, lo que indica que dependen de la conversión de energía solar fotosintética y no de los carbohidratos o lípidos almacenados como fuente de energía. [22]
Nannochloropsis cultivada en condiciones normales de crecimiento y privada de una fuente de nitrógeno continúa creciendo durante 4-5 días. El análisis de la expresión génica revela que los mecanismos de asimilación y redistribución del nitrógeno se activan en las células ante la escasez de nitrógeno y permiten la supervivencia mediante una reorganización parcial del metabolismo celular . Los genes responsables de la incorporación de amonio libre en glutamato (L-glutamina + 2-oxoglutarato + NADPH + H + ← → 2 L-glutamato + NADP + ) están regulados positivamente. Su regulación aumenta la capacidad de las células para asimilar una cantidad mínima de amonio eventualmente presente en el medio y, lo que es más importante, les permite asimilar el amonio intracelular que puede liberarse mediante procesos degradantes. Los datos transcriptómicos de cultivos de Nannochloropsis privados de nitrógeno muestran que varias enzimas responsables de los procesos de degradación que liberan amonio están reguladas al alza. Además, aumenta la expresión de genes que codifican proteínas implicadas en la degradación controlada de proteínas, junto con otros implicados en la formación de vesículas secuestrantes citosólicas utilizadas para la degradación y reciclaje de componentes celulares. [13]
La maquinaria de expresión génica del cloroplasto y la mitocondria está regulada negativamente en Nannochloropsis en respuesta al agotamiento del nitrógeno. [13] [14]
Corteggiani Carpinelli y colaboradores (2013) [13] informan de un análisis completo de la expresión génica de cultivos de Nannochloropsis cultivados en condiciones normales y con privación de nitrógeno durante 3 y 6 días. Los datos sobre condiciones similares también fueron recopilados por Radakovits et al. (2012) [14] y Vieler et al. (2012). [15] Todos estos datos muestran que los genes implicados en la biosíntesis de ácidos grasos y triacilglicerol son siempre abundantes en las células y su expresión no se correlaciona con la cantidad de aceite acumulado. Además, la expresión de los genes implicados en la degradación de los triacilgliceroles no se regula significativamente a la baja a medida que se acumulan los triacilgliceroles . La conclusión general sugerida por los datos experimentales es que Nannochloropsis produce constitutivamente triacilgliceroles y que la reorganización metabólica que sigue a la privación de nitrógeno aumenta el flujo de sustratos a través de esta vía, que a su vez es capaz de sostener el aumento del flujo metabólico. Corteggiani Carpinelli y colaboradores (2013) [13] adelantan la hipótesis de que, en sus condiciones experimentales, la fotosíntesis es la principal fuente de energía y la regulación a la baja de la actividad metabólica de la mitocondria es determinante en el aumento de la cantidad de sustratos que ingresan al tejido graso. vía biosintética ácida . Si se dispone de más precursores , se sintetizan más ácidos grasos y, como consecuencia, se producen y acumulan más triacilgliceroles en las células en forma de gotitas de aceite.
Dong y col. (2013) [23] informan de una cuantificación de la abundancia de diversas proteínas en cultivos de Nannochloropsis cultivados con un suplemento de CO2 y privados de nitrógeno. A pesar de las diferentes condiciones experimentales, también el estudio proteómico parece apoyar la hipótesis de que la acumulación de triacilgliceroles se debe a un aumento del flujo metabólico a través de la vía biosintética de los ácidos grasos . Los autores plantean la hipótesis de que, en sus condiciones experimentales, la degradación de los azúcares de almacenamiento y la regulación al alza de la glucólisis son responsables del aumento de sustratos a través de la vía .
Más recientemente, Li et al. (2014) [24] recopilaron amplios datos experimentales de cultivos de Nannochloropsis oculata IMET1 cultivados en medios con suficiente nitrógeno y sin nitrógeno. Según su análisis, es el catabolismo de carbohidratos y proteínas junto con la regulación positiva de genes asignados a varias vías (la vía de la glucólisis citosólica , que produce piruvato ; la derivación de PDHC, que produce acetil-CoA adicional ; y el acoplamiento de TCA). reacciones con β-oxidación mitocondrial ) que deben reivindicarse para aumentar el suministro de precursores de carbono a la ruta biosintética de los ácidos grasos . Sin embargo, los autores sugieren que no es el aumento de la síntesis de ácidos grasos lo que conduce a la acumulación de aceite dentro de las células, sino más bien la regulación positiva de los genes involucrados en el ensamblaje de triacilgliceroles lo que determina la concentración final de aceite. En otras palabras, bajo agotamiento de nitrógeno, es la regulación al alza del nivel de transcripción de los genes clave en el ensamblaje de triacilglicerol , en lugar de aquellos en la biosíntesis de ácidos grasos , lo que conduce a la producción acelerada de triacilglicerol .
En 2017, un estudio financiado conjuntamente por ExxonMobil y Synthetic Genomics logró un gran avance en los porcentajes de lípidos en Nannochloropsis gaditana a través de aplicaciones de la tubería de genética inversa CRISPR-Cas9 y hambre de nitrógeno, mejorando la partición del carbono total a lípidos del 20% (tipo salvaje) al 40-45% (tipo mutante). [25]
Ver también
- Microalgas
- Algas planctónicas
- Nannocloropsis y biocombustibles
- Biocombustible
- Combustible de aviación sostenible
- Contenido energético del biocombustible
Referencias
- ^ Hibberd, DJ (1981). "Notas sobre la taxonomía y nomenclatura de las clases de algas Eustigmatophyceae y Tribophyceae (sinónimo Xanthophyceae)". Revista Botánica de la Sociedad Linneana . 82 (2): 93-119. doi : 10.1111 / j.1095-8339.1981.tb00954.x .
- ^ Hibberd (1981). "Notas sobre la taxonomía y nomenclatura de las clases de algas Eustigmatophyceae y Tribophyceae (Sinónimo Xanthophyceae)". Revista Botánica de la Sociedad Linneana . 82 (2): 93-119. doi : 10.1111 / j.1095-8339.1981.tb00954.x .
- ^ Fawley (2007). "Observaciones sobre la diversidad y ecología de la nanocloropsis de agua dulce (Eustigmatophyceae), con descripciones de nuevos taxones". Protista . 158 (3): 325–336. doi : 10.1016 / j.protis.2007.03.003 . PMID 17576099 .
- ^ Andersen, RA; Brett, RW; et al. (1998). "Filogenia de las Eustigmatophyceae basada en rDNA 18s, con énfasis en Nannochloropsis". Protista . 149 (1): 61–74. doi : 10.1016 / S1434-4610 (98) 70010-0 . PMID 23196114 .
- ^ Lubian, LM; et al. (2000). " Nannochloropsis (Eustigmatophyceae) como fuente de pigmentos de valor comercial". Revista de psicología aplicada . 12 (3/5): 249-255. doi : 10.1023 / A: 1008170915932 .
- ^ Kandilian, R .; Lee, E .; Pilon, L. (2013). "Radiación y propiedades ópticas de Nannochloropsis oculata cultivada bajo diferentes irradiancias y espectros". Tecnología de Bioresource . 137 : 63–73. doi : 10.1016 / j.biortech.2013.03.058 . PMID 23587810 .
- ^ Assaf Sukenik, YCTB (1989). "Regulación de la composición de ácidos grasos por nivel de irradiancia en el Eustigmatophyte Nannochloropsis sp". Revista de Phycology . 25 (4): 686–692. doi : 10.1111 / j.0022-3646.1989.00686.x .
- ^ a b Boussiba, S .; Vonshak, A .; Cohen, Z .; Avissar, Y .; Richmond, A. (1987). "Producción de lípidos y biomasa por la microalga halotolerante Nannochloropsis salina". Biomasa . 12 : 37–47. doi : 10.1016 / 0144-4565 (87) 90006-0 .
- ^ Kilian, O .; Benemann, CSE; Niyogi, KK; Vick, B. (2011). "Recombinación homóloga de alta eficiencia en el alga productora de aceite Nannochloropsis sp" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 108 (52): 21265–21269. doi : 10.1073 / pnas.1105861108 . PMC 3248512 . PMID 22123974 .
- ^ Lubian, LM (1982). " Nannochloropsis gaditana sp. Nov., Una nueva cepa marina de Eustigmatophyceae". Lazaroa . 4 : 287-293.
- ^ "El avance de la investigación logra un alimento para la acuicultura sin peces que eleva los estándares clave" . phys.org . Consultado el 9 de diciembre de 2020 .
- ^ Sarker, Pallab K .; Kapuscinski, Anne R .; McKuin, Brandi; Fitzgerald, Devin S .; Nash, Hannah M .; Greenwood, Connor (12 de noviembre de 2020). "El alimento para tilapia con una mezcla de microalgas elimina la harina y el aceite de pescado, mejora el crecimiento y es rentable" . Informes científicos . 10 (1): 19328. doi : 10.1038 / s41598-020-75289-x . ISSN 2045-2322 . PMC 7665073 . PMID 33184333 . Disponible bajo CC BY 4.0 .
- ^ a b c d e f g h yo Corteggiani Carpinelli, E .; et al. (2013). "Montaje del genoma a escala cromosómica y perfil del transcriptoma de Nannochloropsis gaditana en el agotamiento del nitrógeno" . Planta molecular . 7 (2): 323–335. doi : 10.1093 / mp / sst120 . PMID 23966634 .
- ^ a b c d e Radakovits, R .; et al. (2012). "Proyecto de secuencia del genoma y transformación genética del alga oleaginosa Nannochloropis gaditana" . Nat Commun . 3 (2): 686. doi : 10.1038 / ncomms1688 . PMC 3293424 . PMID 22353717 .
- ^ a b c d e f Vieler, A .; et al. (2012). "Genoma, anotación de genes funcionales y transformación nuclear del alga oleaginosa heterokont Nannochloropsis oceanica CCMP1779" . PLOS Genet . 8 (11): e1003064. doi : 10.1371 / journal.pgen.1003064 . PMC 3499364 . PMID 23166516 .
- ^ Liang, C .; et al. (2012). "Análisis de secuenciación de novo y transcriptoma global de Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae) después de la inanición de nitrógeno". Bioenerg. Res . 6 (2): 494–505. doi : 10.1007 / s12155-012-9269-0 .
- ^ Arnold, AA; et al. (2014). "Identificación de constituyentes de lípidos y sacáridos de células de microalgas enteras por RMN de estado sólido 13C" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranas . 1848 (1 Pt B): 369–377. doi : 10.1016 / j.bbamem.2014.07.017 . PMID 25065670 .
- ^ Elisa Corteggiani Carpinelli e Nicola Vitulo Datos no publicados disponibles a través del portal del genoma de Nannochloropsis gaditana Archivado el 29 de octubre de 2013 en la Wayback Machine.
- ^ Wang, Dongmei; Ning, Kang; Li, Jing; et, al .; Xu, Jian (enero de 2014). "Los genomas de Nannochloropsis revelan la evolución de los rasgos oleaginosos de microalgas" . PLOS Genetics . 10 (1): e1004094. doi : 10.1371 / journal.pgen.1004094 . PMC 3886936 . PMID 24415958 .
- ^ Lu; et al. (2014). "Regulación de la vía biosintética del colesterol y su integración con la biosíntesis de ácidos grasos en la microalga oleaginosa Nannochloropsis oceanica " . Biotecnología para biocombustibles . 7 : 81. doi : 10.1186 / 1754-6834-7-81 . PMC 4052811 . PMID 24920959 .
- ^ Rodolfi, L; Zittelli, Chini; et al. (2008). "Microalgas para aceite: selección de cepas, inducción de síntesis de lípidos y cultivo masivo al aire libre en un fotobiorreactor de bajo costo". Biotecnología y Bioingeniería . 102 (1): 100–12. doi : 10.1002 / bit.22033 . PMID 18683258 .
- ^ a b Simionato, Diana; Block, Maryse A .; Rocca, Nicoletta La; Jouhet, Juliette; Maréchal, Eric; Finazzi, Giovanni; Morosinotto, Tomas (2013). "La respuesta de Nannochloropsis gaditana a la falta de nitrógeno incluye la biosíntesis de novo de triacilgliceroles, una disminución de los galactolípidos del cloroplasto y la reorganización del aparato fotosintético" . Célula eucariota . 12 (5): 665–676. doi : 10.1128 / EC.00363-12 . PMC 3647774 . PMID 23457191 .
- ^ Dong, HP; Williams, E; Wang, DZ; Xie, ZX; Hsia, RC; Jenck, A; Halden, R; Li, J; Chen, F; Lugar, AR (2013). "Respuestas de Nannochloropsis oceanica IMET1 a la inanición y recuperación de nitrógeno a largo plazo" . Fisiología vegetal . 162 (2): 1110–1126. doi : 10.1104 / pp.113.214320 . PMC 3668043 . PMID 23637339 .
- ^ Li, Jing; Han, Danxiang; Wang, Dongmei; Ning, Kang; Jia, Jing; Wei, Li; Jing, Xiaoyan; Huang, Shi; Chen, Jie (2014). "La coreografía de transcriptomas y lipidomas de Nannochloropsis revela los mecanismos de síntesis de aceite en microalgas" . Célula vegetal . 26 (4): 1645–1665. doi : 10.1105 / tpc.113.121418 . PMC 4036577 . PMID 24692423 .
- ^ Ajjawi, Imad; Verruto, John; Aqui, Moena; Soriaga, Leah B; Calderero, Jennifer; Kwok, Kathleen; Melocotón, Luke; Orchard, Elizabeth; Kalb, Ryan (2017). "La producción de lípidos en Nannochloropsis gaditana se duplica al disminuir la expresión de un solo regulador transcripcional". Biotecnología de la naturaleza . 35 (7): 647–652. doi : 10.1038 / nbt.3865 . PMID 28628130 .
enlaces externos
- Guiry, MD; Guiry, GM (2008). "Nannocloropsis" . AlgaeBase . Publicación electrónica mundial, Universidad Nacional de Irlanda, Galway . Consultado el 21 de febrero de 2009 .
- Portal del genoma de Nannochloropsis gaditana
- Nannochloropsis últimas noticias e informes científicos
- Página web de Nannochloropsis gaditana CCMP526
- Página web de Nannochloropsis oceanica CCMP1779