Organellen-gerichtete Multi-Enzym-Engineering ermöglicht die Produktion von mittellangen Fettsäuren in Chlamydomonas reinhardtii

Mittellange Fettsäuren (MCFAs, C8-C12) sind wertvolle biobasierte Rohstoffe, aber ihre Produktion in fotosynthetischen Mikroorganismen bleibt durch niedrige Erträge, Cytotoxizität und schlechte Skalierbarkeit begrenzt. Hier haben wir Chlamydomonas reinhardtii (Chlamydomonas) für die MCFA-Produktion konstruiert, indem wir heterologe lipidbiosynthetische Enzyme in bestimmten subzellulären Kompartimenten zielgerichtet einführten. Eine plastidgerichtete, mittelketten-spezifische Acyl-ACP-Thioesterase aus Umbellularia californica und endoplasmatisches retikulum-gerichtete Acyltransferasen aus Cocos nucifera und Elaeis guineensis wurden aus dem nukleären Genom koexprimiert, was die compartmentalized Organisation der Fettsäure (FA) Synthese und der Triacylglycerol (TAG) Assemblierung in Mikroalgen widerspiegelt. Schrittweise GC-basierte Screening-Methoden identifizierten mehrere MCFA-produzierende Transformanten, unter denen der MCFA #17 die höchste MCFA-Akkumulation unter stickstoffarmen Bedingungen zeigte. Die mittlere Kultivierung (3 L) zeigte eine nachhaltige MCFA-Produktion über die Zeit, wobei MCFAs sowohl in den Gesamt-FA- als auch in den TAG-Fraktionen nachgewiesen wurden. Eine erhöhte Temperatur (30 °C) förderte die MCFA-Akkumulation weiter, begleitet von einer erhöhten Transgenexpression, die durch einen Hitzeschockprotein Hsp70A Promotor angetrieben wurde. Wichtig ist, dass die Großskala-Kultivierung in einem 50 L Photobioreaktor ein stabiles Wachstum und die Aufrechterhaltung der MCFA-Produktion unter Hochskalierungsbedingungen zeigte. Insgesamt etablieren diese Ergebnisse eine organellengerichtete Multi-Enzym-Strategie, die eine robuste und skalierbare MCFA-Biosynthese in Chlamydomonas ermöglicht.