Exploring Nannochloropsis oceanica as a chassis for whole-cell biocatalysis

Nannochloropsis oceanica is a marine microalga with significant potential for the production of oils and high-value compounds. Its photosynthetic metabolism, which uses sunlight as an energy source and CO₂ as a carbon source, makes it a promising platform for sustainable bio-industrial applications. In recent years, the need for environmentally friendly alternatives to conventional chemical synthesis has increased interest in whole-cell biocatalysis, which employs living microorganisms as catalytic systems. Due to its metabolic and photosynthetic features, N. oceanica represents a promising chassis for sustainable whole-cell biocatalysis. This study investigated its potential for the production of value-added compounds. Plasmids carrying expression cassettes for heterologous enzymes and homologous recombination regions were constructed and used to transform the N. oceanica tdTomato strain. Protein expression of two monooxygenases involved in phenolic compound production and one involved in indigo synthesis was confirmed, followed by exploratory photobioreactor experiments using the engineered strains. Analyses confirmed the production of phenolic compounds, although at low yields. These results demonstrate the potential of N. oceanica as a whole-cell biocatalytic platform while highlighting the need for further optimization of enzyme expression and photobioreactor operating conditions.

Nannochloropsis oceanica è una microalga marina con potenziale per la produzione di oli e composti ad alto valore nutrizionale. Grazie al metabolismo fotosintetico, che le permette di sfruttare la luce solare come energia e la CO2 come fonte di carbonio, costituisce una piattaforma promettente per applicazioni bioindustriali sostenibili. Negli ultimi anni, la necessità di alternative ai processi di sintesi chimica, spesso caratterizzati da elevato impatto ambientale, ha favorito l’interesse verso la biocatalisi a cellula intera, basata sull’impiego di microrganismi vivi come sistemi catalitici. Le caratteristiche metaboliche e fotosintetiche di Nannochloropsis oceanica la rendono una piattaforma promettente per la biocatalisi a cellula intera, grazie alla sostenibilità e all’autosufficienza energetica del sistema. Questo lavoro ne esplora il potenziale per la produzione di composti ad alto valore aggiunto. Lo studio, partendo dalla costruzione dei plasmidi contenenti la cassetta di espressione per gli enzimi eterologhi e le regioni di omologia, successivamente alla trasformazione di N. oceanica tdTomato, conferma l’espressione proteica di due monossigenasi coinvolte nella produzione di composti fenolici e una coinvolta nella sintesi del bioindaco, eseguendo test esplorativi in fotobioreattore con i ceppi ingegnerizzati. Le analisi hanno confermato la produzione, seppur a bassa resa, di composti fenolici. I risultati evidenziano il potenziale di Nannochloropsis oceanica come piattaforma di catalisi a cellula intera, sottolineando al contempo la necessità di ulteriori studi sull’espressione enzimatica e sulle condizioni operative in fotobioreattore.