Physiological and biochemical analyses of Nannochloropsis oceanica strains overexpressing Violaxanthin de-epoxidase

The growth of world population is driving a continuous increase of energy and food demand that requires strong innovations in production methods to be satisfied. The exploitation of sustainable biomass produced from microalgae can contribute to satisfying this demand given their high growth rate, the production of high-value products and the absence of competition with agriculture for limiting land and water resources. Among the limitations that need to be addressed to achieve economic competitiveness, one of the most relevant is biomass productivity that should be maximised. The regulatory mechanisms of photosynthesis have a major impact on biomass productivity. Indeed, photosynthetic organisms have evolved sophisticated photoprotection mechanisms to avoid damage upon exposition to excess light. One of these is the so-called non-photochemical quenching (NPQ) which dissipates the energy in excess as heat and requires the activation of the xanthophyll cycle, in which the carotenoid violaxanthin is converted into zeaxanthin by the enzyme violaxanthin de-epoxidase. Through the genetic engineering of the microalga Nannochloropsis oceanica, an organism with growing industrial potential, we generate strains overexpressing the endogenous Violaxanthin de-epoxidase (NocVDE), which showed a faster conversion of violaxanthin into zeaxanthin, directly resulting in surprisingly fast NPQ activation. Overexpressing strains also enabled to purify the VDE in active form for biochemical analyses.

Ad oggi, la popolazione mondiale sta affrontando una crisi in termini di risorse energetiche e alimentari. Nella ricerca di alternative ecosostenibili, le microalghe si propongono come soluzione, dato il loro elevato tasso di crescita, la produzione di prodotti di alto valore aggiunto e la possibilità di utilizzare terra e acqua senza competere con l'agricoltura. Tra i limiti che devono essere superati per raggiungere la competitività economica, uno dei più rilevanti è dato dalla produttività in termini di biomassa nei fotobioreattori, motivo per cui, la modulazione della fotosintesi diventa di fondamentale importanza. Gli organismi fotosintetici hanno sviluppato sofisticati meccanismi di fotoprotezione che si attivano quando si verifica un'eccessiva radiazione luminosa in modo da evitare danni cellulari. Tuttavia, spesso, nelle condizioni di crescita industriali, questi meccanismi possono diventare limitanti per la crescita. Uno di questi meccanismi è il cosiddetto quenching non fotochimico (NPQ) che dissipa l'energia in eccesso sotto forma di calore. L’NPQ richiede l'attivazione del ciclo delle xantofille, in cui la violaxantina viene convertita in zeaxantina dall'enzima violaxantina de-epossidasi (VDE). Tuttavia, le cinetiche di attivazione e rilassamento dell’NPQ, richiedono tempistiche maggiori rispetto alle fluttuazioni di luce a cui sono soggette le cellule nei fotobioreattori, pertanto i fotosistemi non protetti, possono essere esposti a intensità luminose elevate che portano al loro danneggiamento. Attraverso l'ingegneria genetica della microalga Nannochloropsis oceanica, un organismo con elevato potenziale industriale, abbiamo generato dei ceppi in grado di sovraesprimere la violaxantina de-epossidasi endogena (NocVDE). È interessante notare che questi ceppi hanno mostrato una conversione della violaxantina in zeaxantina più veloce, che si traduce direttamente in un'attivazione dell’NPQ sorprendentemente rapida. Questo, nelle condizioni testate, non ha portato ad effetti significativi rispetto alla produttività in biomassa. La sovraespressione di NocVDE, inoltre, ha portato alla purificazione proteica tramite IMAC e ha permesso di stimare l'attività enzimatica specifica tramite saggi di de-epossidazione in vitro. Pertanto, questo studio contribuisce a comprendere meglio i meccanismi fotoprotettivi in Nannochloropsis e pone le basi per future analisi strutturali e biochimiche della VDE.