نانوكلوروبيس

نانوكلوروبسيس جنسمن الطحالب يضم ستة أنواع معروفة .وقد أطلق هيبرد (1981) هذا الاسم لأول مرة على هذا الجنس في التصنيف التكسونومي الحالي. [ 2 ] تُعرف ^{هذه الأنواع في} الغالب من البيئة البحرية، ولكنها توجد أيضًا في المياه العذبة والمياه قليلة الملوحة. ^{[ 3 ]} جميع الأنواع عبارة عن كريات صغيرة غير متحركة لا تُظهر أي سمات مورفولوجية مميزة يمكن تمييزها باستخدام المجهر الضوئي أو. ويتم توصيفها في الغالب عن طريق تحليل جين rbcL وتسلسل الحمض النووي الريبوزي 18S . ^{[ 4 ]}

تختلف طحالب جنس نانوكلوروبسيس عن الطحالب الدقيقة الأخرى ذات الصلة باحتوائها على الكلوروفيل أ، بينما تفتقر تمامًا إلى الكلوروفيل ب والكلوروفيل ج . إضافةً إلى ذلك، فهي قادرة على تكوين تراكيز عالية من مجموعة من الأصباغ مثل أستاكسانثين ، وزياكسانثين، وكانثازانثين . [ ^{5 ] يبلغ} قطرها حوالي 2 إلى 3 ميكرومترات ^{[ 6 ]} ، وتتميز ببنية دقيقة للغاية ذات عناصر هيكلية مُختزلة مقارنةً بالأنواع المجاورة.

تُعتبر طحالب النانوكلوروبسيس واعدةً للتطبيقات الصناعية لقدرتها على تراكم مستويات عالية من الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة . ^{[ 7 ] [ 8 ]} علاوة على ذلك، تُظهر خصائص واعدة تسمح بالتعديل الوراثي بهدف التحسين الجيني للسلالات الزيتية الحالية . تتميز أنواع مختلفة من النانوكلوروبسيس بإمكانية نقل الجينات إليها ، وهناك أدلة على قدرة بعض السلالات على إجراء إعادة التركيب المتماثل. ^{[ 9 ]} في الوقت الحالي، تُستخدم بشكل أساسي كمصدر غذائي غني بالطاقة ليرقات الأسماك والروتيفيرات . ومع ذلك، فقد أثارت اهتمامًا متزايدًا أيضًا في مجال دراسة إنتاج الوقود الحيوي من الكائنات الحية الضوئية . (انظر: النانوكلوروبسيس والوقود الحيوي ). تُستخدم النانوكلوروبسيس حاليًا كمضاف غذائي للتغذية البشرية، كما تُقدم في مطعم "أ بونينتي" في إل بويرتو دي سانتا ماريا ( قادس ، إسبانيا ) بالقرب من البيئة الطبيعية التي عُزلت فيها طحالب النانوكلوروبسيس غاديتانا لأول مرة، والتي لا تزال تنمو فيها. ^{[ 10 ]} تشير دراسة أجريت عام 2020 إلى إمكانية استخدامه كعلف عالي الأداء ومستدام وخالٍ من الأسماك للأسماك المستزرعة . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

الأنواع المعترف بها حاليًا هي:

• نانوكلوروبسيس أستراليس فولي، جيمسون وفولي 2015
• نانوكلوروبسيس غرانولاتا كارلسون وبوتر 1996
• Nannochloropsis limnetica Krienitz et al. 2000
• نانوكلوروبسيس أوشنيكا سودا ومياشيتا 2002
• Nannochloropsis oculata (Droop 1955) Hibberd 1981

تم إعادة تصنيف النوعين Nannochloropsis gaditana و Nannochloropsis salina إلى Microchloropsis gaditana و Microchloropsis salina على التوالي في عام 2015. ^{[ 13 ]}

حصل المجتمع العلمي على التسلسل الجينومي لسلالات مختلفة من طحلب نانوكلوروبسيس تنتمي إلى نوعين : نانوكلوروبسيس غاديتانا ^{[ 14 ] [ 15 ]} ونانوكلوروبسيس أوشيانيكا ^{[ 16 ] [ 17 ]} . وتتيح بوابة جينومية، تستند إلى جينوم نانوكلوروبسيس غاديتانا B-31 ، الوصول إلى معظم المعلومات الجينومية المتعلقة بهذا الكائن الدقيق . كما تتوفر صفحات ويب مخصصة لجينومات نانوكلوروبسيس غاديتانا CCMP526 (مؤرشفة في 29 أكتوبر 2013 على موقع Wayback Machine) ونانوكلوروبسيس أوشيانيكا CCMP1779 .

تراوحت أطوال جينومات سلالات نانوكلوروبسيس التي تم تسلسلها بين 28.5 و29 ميجا قاعدة، وتميزت بكثافة جينية عالية ، ومحتوى منخفض من الإنترونات ، ومناطق بين جينية قصيرة ^{[ 14 ]} ، ووجود محدود للغاية للتسلسلات المتكررة ^{[ 16 ]} . تتشابه جينات النوعين بشكل كبير.

كشف تحليل الجينومات أن هذه الطحالب الدقيقة تمتلك مجموعة من الجينات المسؤولة عن تخليق السليلوز والفوكانات المكبرتة ودمجها في جدار الخلية ، وأنها قادرة على تخزين الكربون في بوليمرات من الجلوكوز المرتبط بروابط β-1,3 و β-1,6 تُسمى كريسولامينارين . ^{[ 14 ]} ويُشير تحليل الرنين المغناطيسي النووي لخلايا الطحالب الكاملة التي زُرعت في بيئة نمو ذاتية التغذية ^{[ 18 ]} إلى وجود السليلوز في جدار الخلية ، ووجود كريسولامينارين متحرك، يُحتمل أنه يتراكم في المحلول داخل الفجوات الخلوية.

أتاحت المقارنة بين جينات استقلاب الدهون في طحلب نانوكلوروبسيس غاديتانا والطحالب الحمراء والخضراء والبنية والدياتومات فهمًا أفضل لإنتاج الدهون في مزارع نانوكلوروبسيس . وقد أبرزت هذه المقارنات وجود مجموعة موسعة من بعض الجينات المشاركة في تجميع ثلاثي الغليسيريد في نانوكلوروبسيس . ^{[ 15} ] كما تم تحديد العديد من إنزيمات الليباز لثلاثي الغليسيريد ، التي تؤثر على ^{استقلاب} ثلاثي الغليسيريد إما عن طريق تحلله أو إعادة تشكيل الدهون ، في نانوكلوروبسيس ، ^{[ 16 ]} وينتمي العديد منها إلى عائلة جينية تبدو حصرية لهذا الطحلب . ^{[ 19 ]}

أشارت تحليلات البيانات الجينومية إلى وجود الحمض النووي الريبي التنظيمي ، وخاصة الحمض النووي الريبي الميكروي ، في كلا النوعين من نبات نانوكلوروبسيس . ^{[ 14 ] [ 16 ]}

تم العثور على العديد من البروتينات المتماثلة المعروفة التي تستشعر الضوء الأزرق في جينومات نانوكلوروبسيس، مما يشير إلى تنظيم محتمل للإيقاع اليومي . ^{[ 14 ] [ 16 ]}

مجتمع بحثي من معهد تشينغداو لتكنولوجيا الطاقة الحيوية والعمليات الحيوية (QIBEBT)قام باحثون من الأكاديمية الصينية للعلوم بتسلسل ومقارنة ستة جينومات من طحلب نانوكلوروبسيس ، تشمل سلالتين من نانوكلوروبسيس أوشيانيكا (IMET1 وCCMP531) وسلالة واحدة من كل نوع من الأنواع الأربعة الأخرى المعروفة : نانوكلوروبسيس سالينا (CCMP537)، ونانوكلوروبسيس غاديتانا (CCMP526، والتي سبق الإبلاغ عنها ^{[ 15 ]} )، ونانوكلوروبسيس أوكولاتا (CCMP525)، ونانوكلوروبسيس غرانولاتا (CCMP529). ^{[ 20 ]} ووجدوا أن الجينومات الستة تشترك في سمات رئيسية متعلقة بإنتاج الزيوت، مثل زيادة عدد نسخ جينات مختارة من جينات تخليق الدهون مقارنةً بالطحالب الخضراء كلاميدوموناس . وأبرز مثال على زيادة عدد نسخ الجينات هو إنزيم أسيل ترانسفيراز ثنائي أسيل غليسيرول (DGAT)، الذي يحفز الخطوة الأخيرة من تخليق ثلاثي أسيل غليسيرول (TAG). يوجد 13 جينًا من نوع DGAT في نبات Nannochloropsis ، وهو ما يمثل أعلى جرعة جينية في الجينومات المعروفة.

من خلال تحليل شامل للتطور السلالي ، اقترح الباحثون أن أحد جينات DGAT-2 الأحد عشر قد يكون من أصل المتعايش الداخلي الثانوي المرتبط بالطحالب الحمراء ، وأربعة من أصل المتعايش الداخلي المرتبط بالطحالب الخضراء ، والستة الأخرى من جينوم الخلية المضيفة حقيقية النواة. إضافةً إلى ذلك، اكتسبت طحالب نانوكلوروبسيس نسبة كبيرة (15.3%) من الجينات المتعلقة بتخليق الدهون الثلاثية عبر النقل الجيني الأفقي من البكتيريا . لذا، أدى تجميع الجينومات المتعددة والتبادل الجيني الأفقي، إلى جانب الوراثة الانتقائية لجينات تخليق الدهون وفقدان الجينات الخاصة بكل نوع، إلى امتلاكها جهازًا جينيًا هائلًا مسؤولًا عن إنتاج الدهون، وإلى التباين الجيني الواسع بين أنواع نانوكلوروبسيس الحالية .

عند زراعة خلايا نانوكلوروبسيس في ظروف نمو طبيعية في وسط f/2 ، وهو وسط نمو قياسي لزراعة الطحالب ، مع إضافة النيتروجين، تحتوي هذه الخلايا على نسبة زيت تبلغ حوالي 30% من وزنها الجاف. ويمكن استخدام هذا الزيت لإنتاج وقود الديزل الحيوي . ولإنتاج وقود الديزل الحيوي ، يجب زيادة محتوى الزيت في مزارع نانوكلوروبسيس . وقد تبين أن عملية تخليق الأحماض الدهنية في نانوكلوروبسيس أوشيانيكا متكاملة مع تنظيم مسار تخليق الكوليسترول، مما يشير إلى إمكانية استخدام أساليب جديدة في الهندسة الوراثية أو البيولوجيا الكيميائية لتعزيز إنتاج الزيت في الطحالب الدقيقة. ^{[ 21 ]} من ناحية أخرى، لوحظ أن ظروف زراعة مختلفة تزيد من متوسط ​​محتوى الزيت لكل خلية، إلا أنها تدعم معدلات نمو بطيئة للمزارع (انظر القسم ذي الصلة: نانوكلوروبسيس والوقود الحيوي )، وتقلل من الإنتاجية الإجمالية. ومن بين هذه الظروف، يُعد نقص النيتروجين من أكثرها دراسة. وقد تناولت الدراسات سلوك المزارع في ظل الإجهاد النيتروجيني في مختلف إعدادات الاستزراع، بالإضافة إلى الاستجابة الفسيولوجية والجزيئية للخلايا لنقص النيتروجين.

أظهرت سلالات مختلفة من طحلب نانوكلوروبسيس تراكم ما يصل إلى 60-70% من كتلتها الحيوية الإجمالية على شكل دهون في ظروف نقص النيتروجين. ^{[ 8 ] [ 22 ]} في هذه الحالة، لا تتغير كمية الدهون فحسب ، بل يتغير تركيبها أيضًا. لوحظ أن ثلاثي الغليسيريدات يزداد بشكل كبير في حالة نقص النيتروجين، بينما تنخفض الدهون الأخرى ، وخاصة الغليسيروليبيدات القطبية والأحماض الدهنية الحرة وثنائي الغليسيريدات ، انخفاضًا طفيفًا. إن الزيادة في ثلاثي الغليسيريدات في حالة نقص النيتروجين أكبر بكثير من الانخفاض في الغليسيروليبيدات الأخرى ، مما يدعم فرضية أن الخلايا تُصنّع ثلاثي الغليسيريدات بنشاط بدلاً من مجرد تحويل الدهون الموجودة إلى ثلاثي الغليسيريدات . ^{[ 23 ]}

مع تراكم ثلاثي الغليسيريدات وتضخم قطرات الدهون، تحدث تغيرات مورفولوجية هامة أخرى. تصبح البلاستيدات الخضراء أصغر حجمًا، وينخفض ​​مقدار الدهون المميزة للأغشية الضوئية انخفاضًا ملحوظًا. ينخفض ​​مردود عملية التمثيل الضوئي في الخلايا المستنفدة للنيتروجين، ولكنه يظل كافيًا لضمان بقاء الخلية ونموها. إذا تم تثبيط عملية التمثيل الضوئي بالفعل، تتوقف خلايا نانوكلوروبسيس عن النمو، مما يشير إلى أنها تعتمد على تحويل الطاقة الشمسية الضوئية ، وليس على الكربوهيدرات أو الدهون المخزنة كمصدر للطاقة. ^{[ 23 ]}

تستمر طحالب نانوكلوروبسيس المزروعة في ظروف نمو طبيعية والمحرومة من مصدر نيتروجين في النمو لمدة 4-5 أيام. يكشف تحليل التعبير الجيني عن تنشيط آليات استيعاب النيتروجين وإعادة توزيعه في الخلايا في حالة نقص النيتروجين، مما يسمح لها بالبقاء على قيد الحياة من خلال إعادة تنظيم جزئية لعمليات الأيض الخلوي . وقد لوحظ ارتفاع في مستوى التعبير الجيني للجينات المسؤولة عن دمج الأمونيوم الحر في الغلوتامات (L-غلوتامين + 2-أوكسوغلوتارات + NADPH + H⁺ ^← → 2 L-غلوتامات + NADP⁺ ⁾ . يزيد هذا الارتفاع من قدرة الخلايا على استيعاب الحد الأدنى من الأمونيوم الموجود في الوسط، والأهم من ذلك، يسمح لها باستيعاب الأمونيوم داخل الخلايا الذي يمكن إطلاقه من خلال عمليات التحلل. وتُظهر بيانات النسخ الجيني لمزارع نانوكلوروبسيس المحرومة من النيتروجين ارتفاعًا ملحوظًا في مستوى التعبير عن العديد من الإنزيمات المسؤولة عن عمليات التحلل التي تُطلق الأمونيوم. علاوة على ذلك، يزداد التعبير عن الجينات التي تشفر البروتينات المشاركة في التحلل المنظم للبروتينات، إلى جانب جينات أخرى تشارك في تكوين الحويصلات السيتوبلازمية العازلة المستخدمة في تحلل وإعادة تدوير المكونات الخلوية. ^{[ 14 ]}

يتم تثبيط آلية التعبير الجيني في البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا في طحلب نانوكلوروبسيس استجابةً لنقص النيتروجين. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

أفاد كورتيجياني كاربينيلي وزملاؤه (2013) ^{[ 14 ]} بتحليل شامل للتعبير الجيني في مزارع نانوكلوروبسيس النامية في ظروف طبيعية وفي ظروف نقص النيتروجين لمدة 3 أيام و6 أيام. كما جمع راداكوفيتس وآخرون (2012) ^{[ 15 ]} وفيلر وآخرون (2012) ^{[ 16 ]} بيانات مماثلة في ظروف مشابهة. تُظهر هذه البيانات أن الجينات المشاركة في تخليق الأحماض الدهنية وثلاثي الغليسيريدات تكون وفيرة دائمًا في الخلايا، وأن تعبيرها لا يرتبط بكمية الزيت المتراكم. كذلك، لا ينخفض ​​تعبير الجينات المشاركة في تحلل ثلاثي الغليسيريدات بشكل ملحوظ مع تراكمها. تشير البيانات التجريبية عمومًا إلى أن طحلب نانوكلوروبسيس ينتج ثلاثي الغليسيريدات بشكل مستمر ، وأن إعادة تنظيم التمثيل الغذائي التي تعقب نقص النيتروجين تزيد من تدفق المواد المتفاعلة عبر هذا المسار، القادر بدوره على دعم هذا التدفق الأيضي المتزايد. ويطرح كورتيجياني كاربينيلي وزملاؤه (2013) ^{[ 14 ]} فرضية مفادها أن عملية التمثيل الضوئي ، في ظروفهم التجريبية، هي المصدر الرئيسي للطاقة، وأن تثبيط النشاط الأيضي للميتوكوندريا عامل حاسم في زيادة كمية المواد المتفاعلة التي تدخل مسار التخليق الحيوي للأحماض الدهنية . فإذا توفرت المزيد من المواد الأولية ، يتم تخليق المزيد من الأحماض الدهنية ، وبالتالي يتم إنتاج المزيد من ثلاثي الغليسيريدات وتراكمها داخل الخلايا على شكل قطرات زيتية.

أفاد دونغ وآخرون (2013) ^{[ 24 ]} بقياس كمية وفرة بروتينات مختلفة في مزارع طحلب نانوكلوروبسيس المزروعة مع إضافة _ثاني أكسيد الكربون ونقص النيتروجين. وعلى الرغم من اختلاف الظروف التجريبية، يبدو أن الدراسة البروتينية تدعم فرضية أن تراكم ثلاثي الغليسيريدات يعود إلى زيادة التدفق الأيضي عبر مسار التخليق الحيوي للأحماض الدهنية . ويطرح الباحثون فرضية مفادها أنه في ظروفهم التجريبية، فإن تحلل السكريات المخزنة وزيادة نشاط عملية تحلل الجلوكوز مسؤولان عن زيادة الركائز عبر هذا المسار .

في الآونة الأخيرة، جمع لي وزملاؤه (2014) ^{[ 25 ]} بيانات تجريبية واسعة النطاق من مزارع طحلب نانوكلوروبسيس أوكولاتا IMET1 المزروعة في بيئات غنية بالنيتروجين وأخرى فقيرة به. ووفقًا لتحليلهم، فإن هدم الكربوهيدرات والبروتينات ، بالإضافة إلى زيادة التعبير الجيني للجينات المسؤولة عن مسارات أيضية مختلفة (مسار تحلل الجلوكوز السيتوبلازمي ، الذي ينتج البيروفات ؛ ومسار PDHC الجانبي، الذي ينتج المزيد من أسيتيل-CoA ؛ واقتران تفاعلات دورة حمض الستريك مع أكسدة بيتا في الميتوكوندريا )، هي المسؤولة عن زيادة إمداد سلائف الكربون لمسار التخليق الحيوي للأحماض الدهنية . ومع ذلك، يشير الباحثون إلى أن زيادة تخليق الأحماض الدهنية ليست هي التي تؤدي إلى تراكم الزيت داخل الخلايا، بل إن زيادة التعبير الجيني للجينات المشاركة في تجميع ثلاثي الغليسيريدات هي التي تحدد تركيز الزيت النهائي. بمعنى آخر، في ظل نقص النيتروجين، فإن زيادة مستوى نسخ الجينات الرئيسية في تجميع ثلاثي الغليسيرول ، بدلاً من تلك الموجودة في التخليق الحيوي للأحماض الدهنية ، هي التي تؤدي إلى تسريع إنتاج ثلاثي الغليسيرول .

في عام 2017، حققت دراسة ممولة بشكل مشترك من قبل إكسون موبيل وشركة سينثيتيك جينوميكس إنجازًا هامًا في نسب الدهون في طحلب نانوكلوروبسيس غاديتانا من خلال تطبيق تقنية كريسبر-كاس9 للهندسة الوراثية العكسية وتقنية نقص النيتروجين، مما أدى إلى تحسين توزيع الكربون الكلي على الدهون من 20% (النمط البري) إلى 40-45% (النمط الطافر). ^{[ 26 ]}

تشير الأبحاث إلى أن طحالب النانوكلوروبسيس تتراكم أيضاً تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية _{من النوع} B ، _مما يوحي بأنها قد توفر مصدراً جديداً نباتياً طبيعياً ومستداماً لهذه الفيتامينات . ^{[ 27 ]}

• الطحالب الدقيقة
• الطحالب العوالقية
• النانوكلوروبسيس والوقود الحيوي
• الوقود الحيوي
• وقود الطيران المستدام
• محتوى الطاقة في الوقود الحيوي

• غويري، دكتور في الطب؛ غويري، جي إم (2008). "نانوكلوروبسيس" . قاعدة بيانات الطحالب . منشور إلكتروني عالمي، الجامعة الوطنية الأيرلندية، غالواي . تاريخ الاسترجاع: 21 فبراير 2009 .
• بوابة الجينوم NannoChloropsis Gaditana
• آخر الأخبار والتقارير العلمية حول نبات النانوكلوروبسيس
• صفحة ويب Nannochloropsis gaditana CCMP526 ، مؤرشفة بتاريخ 29 أكتوبر 2013 على موقع Wayback Machine.
• صفحة ويب Nannochloropsis oceanica CCMP1779