DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2026.1737889
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41969533
تاريخ النشر: 2026-03-26
المؤلف: Abdulrahman Alqahtani وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تظهر الطحالب الدقيقة كمنصات واعدة للإنتاج المستدام للمنتجات عالية القيمة (HVPs) مثل الكاروتينات، والأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة (PUFAs)، والبوليسكاريدات، والبروتينات الفيكوبيلينية. تؤكد هذه المراجعة على نهج موجه نحو المنتج يدمج التنظيم البيولوجي، واستراتيجيات الزراعة، والمعالجة اللاحقة، وتقييمات السلامة، والاستعداد التنظيمي لتقييم الجدوى الصناعية وإمكانات التسويق للـ HVPs من الطحالب الدقيقة. تشمل العوامل الرئيسية لتعزيز الإنتاجية والفعالية من حيث التكلفة تخليق الأحياء المستجيب للإجهاد، والزراعة المختلطة التغذية، وهندسة السلالات. تحدد المراجعة الكاروتينات والأحماض الدهنية أوميغا-3 PUFAs كأكثر المنتجات نضجًا صناعيًا، مدعومة بأنظمة إنتاج راسخة وقبول تنظيمي، بينما تُعتبر البوليسكاريدات والبروتينات الفيكوبيلينية منتجات ناشئة تواجه تحديات في الاستعداد الصناعي.
تسلط الخاتمة الضوء على انتقال الطحالب الدقيقة من موارد الكتلة الحيوية إلى التصنيع البيولوجي الدقيق، مما يبرز الحاجة إلى تحسين منسق عبر عوامل مختلفة، بما في ذلك اختيار السلالات، وتصميم العمليات، والامتثال التنظيمي. تعتبر الاستراتيجيات المبتكرة مثل تحفيز الإجهاد المسيطر والهندسة الوراثية ضرورية لتحسين إنتاجية HVP. ومع ذلك، تظل المعالجة اللاحقة عقبة كبيرة، مما يتطلب نهج مصفاة حيوية يدمج الزراعة والاستخراج والتنقية. تؤكد المراجعة على أن تقييمات السلامة والتوافق التنظيمي أمران حاسمان للنجاح التجاري، داعية إلى دمج مبكر للتحقق من السلامة في تطوير السلالات. ستعتمد التقدمات المستقبلية في HVPs من الطحالب الدقيقة على أطر بيولوجية صناعية منظمة، ونمذجة أيضية تنبؤية، ومسارات تنظيمية متناسقة، مما يضع الطحالب الدقيقة عند تقاطع التكنولوجيا الحيوية والمعالجة المستدامة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على إمكانيات الطحالب الدقيقة كمصادر بيولوجية متعددة الاستخدامات لإنتاج المنتجات عالية القيمة (HVPs) مثل الكاروتينات، والأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة (PUFAs)، والبوليسكاريدات، والبروتينات الفيكوبيلينية. هذه المستقلبات ذات صلة متزايدة في التكنولوجيا الحيوية الصناعية بسبب معدلات نمو الطحالب الدقيقة السريعة، وقدرتها على الازدهار في البيئات المالحة أو مياه الصرف الصحي، ومتطلبات الأرض الدنيا، مما يجعلها بدائل مستدامة للأنظمة الزراعية والتكرير التقليدية. يتم التأكيد على دمج الطحالب الدقيقة في أطر الاقتصاد الحيوي الدائري، حيث تعتمد فائدتها الصناعية على التنظيم الحيوي الفعال، والتحكم في الزراعة، والمعالجة اللاحقة ضمن أنظمة الإنتاج القابلة للتوسع.
على الرغم من مزايا الطحالب الدقيقة، غالبًا ما تركز التقييمات الحالية على عائد الكتلة الحيوية بدلاً من إنتاج المستقلبات المستهدفة، مما يؤدي إلى فجوة في فهم تعقيدات التنظيم الأيضي وتحسين العمليات. تدعو المراجعة إلى التحول من التحليلات المركزية حول الكتلة الحيوية إلى نهج بيولوجيا الأنظمة الذي يتضمن النمذجة التنبؤية والاستراتيجيات المعتمدة على البيانات لتعزيز الجدوى الصناعية لـ HVPs. من خلال دراسة الاعتماد المتبادل بين التنظيم الأيضي، وهندسة العمليات، والامتثال التنظيمي، تهدف المراجعة إلى تقديم إطار شامل يربط الابتكارات على نطاق المختبر بالتطبيقات الصناعية العملية، مما يضع الطحالب الدقيقة كمنصات إنتاج قابلة للبرمجة بدلاً من مجرد مصادر للكتلة الحيوية.
نقاش
يسلط النقاش حول الكاروتينات الضوء على أهميتها البيولوجية وإمكاناتها الصناعية، مؤكدًا على دورها كصبغات تنتجها الطحالب الدقيقة والنباتات وغيرها من الكائنات الحية. يتم تخليق الكاروتينات بشكل أساسي من خلال مسار فوسفات الميثيل إيثريتول (MEP)، وتظهر خصائص مضادة للأكسدة تجعلها قيمة في قطاعات التغذية، ومستحضرات التجميل، والصيدلة. تنوعها الهيكلي، بما في ذلك الزانثوفيل والكاروتينات، يسمح باستراتيجيات سوق مستهدفة بناءً على أدائها الوظيفي واستقرارها. يعد دمج الهندسة الأيضية، واستراتيجيات الزراعة، والمعالجة اللاحقة أمرًا حيويًا لتحسين إنتاج الكاروتينات، خاصة في الأسواق عالية القيمة حيث تكون النقاء والفعالية البيولوجية في غاية الأهمية.
تناقش هذه القسم أيضًا تحديات إنتاج الكاروتينات على نطاق صناعي، وخاصة الحاجة إلى تحسين العمليات البيولوجية بدقة لتعزيز العائد مع الحفاظ على صلاحية الخلايا. يلعب تخليق الأحياء المستحث بالإجهاد، المدفوع بعوامل بيئية مثل شدة الضوء وتوافر المغذيات، دورًا حاسمًا في تراكم الكاروتينات. تسهل التقدمات في بيولوجيا الأنظمة، بما في ذلك الأساليب متعددة الأوميات، تحديد الاختناقات التنظيمية وتمكن النمذجة التنبؤية لعمليات الإنتاج الأكثر كفاءة. علاوة على ذلك، يبرز النقاش أهمية تقنيات الاستخراج، مشيرًا إلى أن الطرق التقليدية يمكن أن تكون مكلفة من الناحية الاقتصادية والبيئية. تظهر تقنيات الاستخراج المبتكرة، مثل الاستخراج بمساعدة الإنزيمات والاستخراج فوق الحرج باستخدام CO₂، وعدًا في تحسين الكفاءة ونقاء المنتج، على الرغم من أن تطبيقها على نطاق واسع لا يزال محدودًا بالتحديات الاقتصادية والتشغيلية. بشكل عام، يعد التصميم المنسق للزراعة، والاستخراج، والامتثال التنظيمي أمرًا أساسيًا للنجاح التجاري للكاروتينات من الطحالب الدقيقة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2026.1737889
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41969533
Publication Date: 2026-03-26
Author(s): Abdulrahman Alqahtani et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
Microalgae are emerging as promising platforms for the sustainable production of high-value products (HVPs) such as carotenoids, polyunsaturated fatty acids (PUFAs), polysaccharides, and phycobiliproteins. This review emphasizes a product-oriented approach that integrates biological regulation, cultivation strategies, downstream processing, safety assessments, and regulatory readiness to evaluate the industrial feasibility and commercialization potential of microalgal HVPs. Key enablers for enhancing productivity and cost-effectiveness include stress-responsive biosynthesis, mixotrophic cultivation, and strain engineering. The review identifies carotenoids and omega-3 PUFAs as the most industrially mature products, supported by established production systems and regulatory acceptance, while polysaccharides and phycobiliproteins are noted as emerging products facing challenges in industrial readiness.
The conclusion highlights the transition of microalgae from biomass resources to precision biomanufacturing, underscoring the need for coordinated optimization across various factors, including strain selection, process design, and regulatory compliance. Innovative strategies such as controlled stress induction and genetic engineering are crucial for improving HVP productivity. However, downstream processing remains a significant bottleneck, necessitating a biorefinery approach that integrates cultivation, extraction, and purification. The review stresses that safety assessments and regulatory alignment are critical for commercial success, advocating for early incorporation of safety validation in strain development. Future advancements in microalgal HVPs will depend on structured bioindustrial frameworks, predictive metabolic modeling, and harmonized regulatory pathways, positioning microalgae at the intersection of biotechnology and sustainable processing.
Introduction
The introduction highlights the potential of microalgae as versatile biological resources for producing high-value products (HVPs) such as carotenoids, polyunsaturated fatty acids (PUFAs), polysaccharides, and phycobiliproteins. These metabolites are increasingly relevant in industrial biotechnology due to microalgae’s rapid growth rates, ability to thrive in saline or wastewater environments, and minimal land requirements, making them sustainable alternatives to traditional agricultural and petrochemical systems. The integration of microalgae into circular bioeconomy frameworks is emphasized, as their industrial utility is contingent upon effective biosynthetic regulation, cultivation control, and downstream processing within scalable production systems.
Despite the advantages of microalgae, current assessments often focus on biomass yield rather than targeted metabolite production, leading to a gap in understanding the complexities of metabolic regulation and process optimization. The review calls for a shift from biomass-centric analyses to a systems biology approach that incorporates predictive modeling and data-driven strategies to enhance the industrial viability of HVPs. By examining the interdependencies among metabolic regulation, process engineering, and regulatory compliance, the review aims to provide a comprehensive framework that connects laboratory-scale innovations with practical industrial applications, ultimately positioning microalgae as programmable production platforms rather than mere biomass sources.
Discussion
The discussion on carotenoids highlights their biological significance and industrial potential, emphasizing their role as pigments produced by microalgae, plants, and other organisms. Carotenoids, synthesized primarily through the methylerythritol phosphate (MEP) pathway, exhibit antioxidant properties that make them valuable in the nutritional, cosmeceutical, and pharmaceutical sectors. Their structural diversity, including xanthophylls and carotenes, allows for targeted market strategies based on their functional performance and stability. The integration of metabolic engineering, cultivation strategies, and downstream processing is crucial for optimizing carotenoid production, particularly in high-value markets where purity and bioactivity are paramount.
The section also addresses the challenges of industrial-scale carotenoid production, particularly the need for precise bioprocess optimization to enhance yield while maintaining cell viability. Stress-induced biosynthesis, driven by environmental factors such as light intensity and nutrient availability, plays a critical role in carotenoid accumulation. Advances in systems biology, including multi-omics approaches, facilitate the identification of regulatory bottlenecks and enable predictive modeling for more efficient production processes. Furthermore, the discussion underscores the importance of extraction technologies, noting that traditional methods can be economically and environmentally burdensome. Innovative extraction techniques, such as enzyme-assisted and supercritical CO₂ extraction, show promise in improving efficiency and product purity, although their large-scale application remains limited by economic and operational challenges. Overall, the coordinated design of cultivation, extraction, and regulatory compliance is essential for the successful commercialization of microalgal carotenoids.