Downsizing light harvesting antennae to scale up production potential and valorization from cultivation of marine microalgae.

Marine mikroalger kan brukes til å produsere omega-3 fettsyrer som er etterspurt både for mat- og fiskefôrproduksjon. Lave biomasssekonsentrasjoner begrenser en økonomisk bærekraftig produksjon og dermed verdiskapning fra massekultur av mikroalger. Ved dyrking av mikroalger er omdannelse av lysenergi-til-biomasse den viktigste faktoren som bestemmer produktiviteten og kostnadene. Alger fanger lys med lyshøstingsantenner. I sjøen er tettheten av algene lav og lys en begrensende faktor og marine mikroalger har derfor utviklet store lyshøstingsantenner som fanger tilgjengelig lys. Ved dyrking er tettheten mye større og algene nærmest lyskilden fanger mye mer lysenergi enn de kan bruke. Absorbert lysenergi som ikke brukes i fotosyntese blir frigitt og går tapt som varmeenergi. I tillegg vil de store antennene hindre lyset i å trenge dypere inn i algekulturen og dermed hindre veksten av celler i dypere lag. I prosjektet har vi brukt genomredigering for å utvikle mikroalger med mindre lyshøstingsantenner. Det tillater at mer lys trenger dypere inn i algekulturen og åpner for å dyrke med større celletetthet. Denne typen mutanter kalles TLA-mutanter som står for Truncated Light-harvesting Antenna mutanter. Høyere tetthet av algekulturer er nødvendig for å få en effektiv og økonomisk bærekraftig produksjon av biomasse og produkter fra denne. I løpet av prosjektet har vi fremstilt mutanter med endret lyshøstingsantenner og utført lyseksperimenter med flere potensielle TLA mutanter for å sjekke blant annet celledelingshastighet, pigmentinnhold, fotosyntetisk produktivitet, evne til fotobeskyttelse og antennestørrelse. Denne omfattende karakteriseringen av mutantene viste at vi ved hjelp av genomredigering har lyktes i å lage TLA-mutanter med 50-65% mindre lyshøstingsantenne enn det algen har naturlig. TLA-mutanten viste også andre lovende egenskaper som økt fotosyntetisk aktivitet, >50% lavere innhold av lyshøstende pigmenter og redusert aktivering av fotobeskyttende mekanismer som fører til energitap i form av varme.

Prosjektet har resultert i 12 artikler hvorav 6 i topprangerte tidsskrift (Nature Com, PNAS, New Phytol, Plant Biotech Jmfl) og mange andre bidrag. Resultater fra prosjektet er brukt i søknad til Forskertalent med suksess og til Stjerneprogrammet ved NTNU. Prosjektet har vist at fotosystemet i marine kiselalger er forskjellig fra planter/grønnalger. Det har stor betydning for arbeidet med å utvikle algelinjer som kan brukes til kommersiell produksjon. Våre resultater bidrar også til å forstå hvorfor kiselalger (diatoms) er så dominerende og har slik suksess i marine miljø. Et utrolig effektivt lysinnhøstningssystem koblet til et responsivt system både for tilpassing til lys og næringstilgang gir kiselalgene en effektiv vekst og stor konkurransekraft. Kiselalgene har en enorm evne til å tilpasse seg miljøbetingelsene. De kan lagre karbon for senere bruk selv under næringsmangel og de kan bruke all energi til vekst ved god næringstilgang. Perfekt i et hav av skiftende betingelser.

Marine microalgae produce a range of useful-to-society compounds like omega-3 fatty acids, which are predicted to become limiting for Norwegian aquaculture production within the next decade. Low biomass concentrations are however limiting valorization and economically sustainable production of valuable products from mass cultures of microalgae. In such applications, the solar-to-biomass energy conversion efficiency is the single most important parameter that defines overall productivity and cost. Diatoms are the ecologically most significant group of microalgae, and play a critical role in the ocean food web providing proteins, lipids, carbohydrates and vitamins to organisms at higher trophic levels. In addition to being primary producers of valuable omega-3 fatty acids, diatoms also promise a multitude of potential biotechnological applications. In the proposal, we aim to develop generic and novel production strains of diatoms, which can be used for high cell density production, and a range of products thereof. Diatoms are equipped with highly pigmented light harvesting antennae. This feature is a competitive advantage in nature where cell densities are low, and light is often limiting for growth. However, in a high-density mass culture fully pigmented algae close to the light source, will harvest much more light energy than can be utilized in photosynthesis. The excessively absorbed energy will be dissipated as heat, depriving cells deeper in the culture for much needed light energy. We hypothesize that development of diatom strains with a Truncated Light-harvesting Antenna size (TLA-strains), can improve their solar-to-biomass energy conversion efficiency by up to 3-fold, thereby enhancing the likelihood of useful industrial applications. Putative TLA-strains will be characterized to identify the most promising production strain. As a proof-of-concept we will confer improved rates of growth and productivity of selected TLA-strains in a pilot-scale bioreactor.