BIONÆR-Bionæringsprogram

Mikroalger er "små planter" av uttalt global økologisk betydning og har enestående evner til å produsere interessante biomolekyler. Dermed har de et enormt potensial i å produsere biomolekyler for ulike kommersielle og industrielle applikasjoner på en karbonnøytral måte. De biomolekyler av interesse inkluderer legemidler, høyverdig ernæringsmessig mat og fôr, drivstoff og materialer som er relevante for nanoteknologi. Likevel er kommersialiseringen av mikroalger fortsatt underutviklet, hovedsakelig på grunn av utilstrekkelig teknologiutvikling på flere områder, fra genteknologi via kultivering og høstingsprosedyrer til biomolekylutvinning. I dette prosjektet tok vi sikte på å identifisere mikroalgale stammer som var best egnet for genetisk optimalisering for å (i) ytterligere øke produksjonen av omega-3 fettsyrer, som har viktige helsemessige gunstige effekter for mennesker og er nødvendige for akvakulturfisk, og (ii) å produsere nye proteiner av interesse, for eksempel fiskevaksiner mot virussykdommer. For å nå disse målene, screenet vi først flere mikroalga og valgte Nannochloropsis oceanica som den beste og mest lovende arten på grunn av sine fordelaktige egenskaper, inkludert det høye innholdet av omega-3 fettsyre, dens raske og robuste vekstegenskaper, det sekvenserte atomgenomet og dets transformerbarhet. Vi etablerte metoder for å effektivt analysere og ytterligere øke produktiviteten til Nannochloropsis i å produsere omega-3 fettsyrer. Dette ble oppnådd ved å etterligne naturlige genommodifikasjoner (referert til som teknologiassistert avl), det vil si uten å skape genmodifiserte organismer (GMO). Noen nyopprettede mutanter var faktisk overlegen i produksjonen av omega-3 fettsyrer. Denne mindre forbedringen var imidlertid utilstrekkelig til å rettferdiggjøre deres kostnadsintensive produksjon i stor skala for fiskefôrløyper, siden lignende eksperiment allerede var utført for villtype Nannochloropsis-arter tidligere. Den andre prosjektdelen fokuserte på produksjon av nye proteiner av bioteknologisk interesse i samme mikroalga. For det første har vi nylig etablert et stort spekter av molekylærbiologiske teknikker og verktøy for genteknologi for å optimalisere produksjonen av et modell rekombinant protein i N. oceanica. Vi screenet for, evaluerte og valgte de mest egnede genetiske elementene (f.eks. promotorer, ledersekvenser, uttrykksforhold) og de beste deteksjons- og rensemetodene (f.eks. fluoroforer, tagger, antistoffer, kalibreringsproteiner). Deretter overførte vi metodikken på en effektiv måte til produksjon av et antigen mot virusfisksykdommene forårsaket av IPN-viruset. Faktisk kan det virale overflateproteinet produseres effektivt og i stabil form i denne mikroalgaen og kan sannsynligvis tjene til å beskytte akvakulturfisk ved oral vaksinasjon. Så vidt vi vet, er dette det første antigenet som produseres i noen Nannochloropsis-stamme. Samlet etablerte vi en grunnleggende bioteknologisk verktøykasse for grunnleggende og anvendt forskning og utvikling i Norge og Tyskland, som dokumentert i flere viktige forskningsartikler publisert i finansieringsperioden. Dermed har prosjektet videreutviklet forskning på mikroalger og banet vei for bioteknologisk produksjon av vaksiner i Nannochloropsis i nær fremtid.

We identified the microalga Nannochloropsis oceanica as the best species to further improve its high production of omega-3 fatty acids, which have important health beneficial effects for humans and are required for aquaculture fish. The alga is characterized by fast and robust growth, a sequenced nuclear genome and its transformation ability. By mimicking natural genome modifications, we created mutants that were indeed slightly superior in omega-3 fatty acid content. Moreover, we newly established numerous molecular tools for genetic engineering to produce a model vaccine in N. oceanica, namely an antigen against the viral fish disease infectious pancreatic necrosis (IPN). The viral surface protein, which is the first antigen produced in any Nannochloropsis strain, could be produced efficiently and in stable form and can likely serve to orally vaccinate aquaculture fish. The project further enabled the biotechnological production of vaccines in Nannochloropsis in the near future.

Microalgae have an enormous potential use in diverse commercial and industrial applications such as the carbon neutral synthesis of fuels, pharmaceuticals, high-value nutritional food and feed, and materials relevant to nanotechnology. Yet, their commerci alization remains unexplored due to insufficient technology development, primarily in biological technology. Even though internationally leading in physiology and ecological research, Norway has remained underdeveloped in molecular microalgae research. I n this project, we will establish a fundamental biotechnological toolbox for microalgae R&D in Norway. The target algae are production strains of omega-3 fatty acids. We will establish a) nuclear and chloroplast transformation, b) metabolic engineering, c ) technology-assisted breeding (non-GM approach) by forward genetic screens and d) high-level gene recombinant protein expression (e.g., metabolic enzymes, vaccines). The newly developed molecular biotechnology for microalgae will be applied to increase o mega-3 fatty acid content and growth rate. The commercial partners will test and optimize strain and culturing robustness in commercial large-scale production (MicroA, a PBR design and microalgae production company) and as fish feed additives. Commerciali zation of microalgae will be achieved by a strong inter-disciplinary, national research consortium between academia (UiS/CORE), an SME (MicroA) and a large fish feed producer (EWOS Innovation). The ideal neighboring location of the three partners in the S tavanger region allows tight collaboration, exchange of preliminary data and R&D optimization from the bench to fish feed trials by feed-forward and feed-back optimization. The new technology will be transferrable to other applications, including the sust ainable production of carbon-neutral biofuels.