Expressão diferencial de genes e condições de cultivo na síntese de lipídeos em Phaeodactylum tricornutum

Abstract

Resumo: A diatomácea Phaeodactylum tricornutum vem sendo amplamente estudada por apresentar potencial para aplicações industriais, isso devido a características como alta produção de biomassa e bioprodutos de interesse como antioxidantes e lipídeos. Os lipídeos produzidos podem ser aplicados como combustível renovável, com os triacilgliceróis (TAGs), e utilizados em nutracêutica com os ácidos graxos polinsaturados (PUFAs), principalmente o ácido eicosapentaenóico (EPA). Esse trabalho teve como objetivo principal avaliar a síntese de lipídeos em P. tricornutum. Para tanto, foi realizado um artigo de revisão com base na literatura disponível sobre a síntese de lipídeos e modificações genéticas em P. tricornutum. A revisão foi elaborada com base em vinte e quatro trabalhos publicados, sobre as principais modificações genéticas, efeitos moleculares em resposta a restrição de nitrogênio e acúmulo de lipídeos. Vários trabalhos confirmaram a modulação através da regulação de genes diretamente relacionados a rotas da síntese de ácidos graxos pela via de Kennedy, assim como os que participam do metabolismo basal no ciclo de Calvin, e outros componentes do ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA). Quatorze modificações genéticas foram realizadas com aumento de expressão ou deleção de genes no intuito de compreender e otimizar a síntese de lipídeos. Destes trabalhos, as modificações mais frequentes foram o aumento da expressão em enzimas elongases e desaturases. Na parte experimental, foi avaliado o efeito da luminosidade, 150 and 750 µmol fótons m-2 s-1, na síntese de ácidos graxos, o efeito na transcrição de seis genes relacionados com a síntese de EPA e na síntese de pigmentos. Verificou-se aumento significativo na produção de pigmentos (clorofila e carotenóides), bem como na produção dos PUFAs (16,59%) e entre eles EPA (5,72%) na luminosidade de 150 µmol µmol de fótons m-2 s-1. Por outro lado, a 750 µmol de fótons m-2 s-1 causou efeito no perfil das FAMEs, com aumento nos ácidos graxos saturados (SFAs) e diminuição nos PUFAs. Em relação aos níveis de transcrição de genes relacionados com a síntese de EPA, ocorreu uma ampla variação em resposta a luminosidade, nos tratamentos, o gene que transcreve a enzima delta 6 elongase foi correlacionado ao aumento de PUFAs. Por fim, realizado a análise qualitativa da produção de lipídeos com coloração de vermelho de Nilo em P. tricornutum em diferentes condições de cultivo mixotrófico onde o glicerol foi a fonte de carbono mais eficiente para acumulo de lipídeos neutros. A diatomácea P. tricornutum é um excelente modelo para estudos, e apresenta metabolismo com rápida adaptação a condições de estresse com potencial para aplicações industriais, principalmente obtenção de EPA, TAGs e fucoxantina.

Abstract: The diatom Phaeodactylum tricornutum has been widely studied because it has potential for industrial applications, due to characteristics such as high biomass production and bioproducts of interest such as antioxidants and lipids. The lipids produced can be applied as renewable fuel with triacylglycerols (TAGs) and used in nutraceutical with polyunsaturated fatty acids (PUFAs), especially eicosapentaenoic acid (EPA). This study aimed to evaluate the lipid synthesis in P. tricornutum. Therefore, a review article based on available literature on lipid synthesis and genetic modifications in P. tricornutum was performed. The review was based on 24 published papers describing the main molecular effects in response to nitrogen restriction and lipid accumulation. Several studies have confirmed modulation by regulating genes directly related to fatty acid synthesis pathways via the Kennedy pathway, as well as those that participate in basal metabolism in the Calvin cycle, and other components of the tricarboxylic acid (TCA) cycle. Fourteen genetic modifications were performed to increase expression or even cause gene deletion in order to understand and optimize lipid synthesis. Of these works, the most frequent modifications were the increase of expression in enzymes elongases and desaturases. In the experimental part, the effect of luminosity, 150 and 750 µmol fótons m-2 s-1, on fatty acid synthesis, the effect on transcription of six genes related to EPA synthesis and pigment synthesis were evaluated. There was a significant increase in pigment production (chlorophyll and carotenoids), as well as in the production of PUFAs (16.59%) and among them EPA (5.72%) in the luminosity of 150 µmol fótons m-2 s-1. On the other hand, at 750 µmol fótons m-2 s-1 caused effect on FAMEs profile, with increase in saturated fatty acids (SFAs) and decrease in PUFAs. Regarding the transcription levels of genes related to EPA synthesis, there was a wide variation in light response, and it was not possible to make a direct correlation between EPA synthesis and expression levels. Finally, a qualitative analysis of Nile red stained lipids production in P. tricornutum under different mixotrophic culture conditions was performed, where glycerol was the most efficient carbon source for neutral lipid accumulation. The diatom P. tricornutum is an excellent model for studies and has a metabolism with rapid adaptation to stress conditions with potential for industrial applications, mainly obtaining EPA, TAGs and fucoxanthin.