DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1736651
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41696172
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Imran Pancha وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تسلط هذه المقالة الاستعراضية الضوء على أهمية الطحالب في تثبيت ثاني أكسيد الكربون وإنتاج المركبات العضوية من خلال عملية التمثيل الضوئي، مع التركيز بشكل خاص على النشا باعتباره البوليمر السكري الرئيسي للتخزين. النشا ضروري لإنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات الحيوية الصناعية، بما في ذلك الوقود الحيوي، علف الحيوانات، والمواد البلاستيكية الحيوية. تناقش المقالة تأثير العوامل البيئية، مثل توفر الضوء والمغذيات، على تراكم النشا في الطحالب الدقيقة وتتناول الآليات التنظيمية التي تستخدمها الطحالب الدقيقة لتعديل مستويات النشا تحت ظروف متغيرة.
بالإضافة إلى ذلك، تتناول المراجعة الأبحاث الحديثة حول مسارات الإشارة ووظائف البروتينات المرتبطة بتراكم النشا في الطحالب الدقيقة. تؤكد على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في هذه العمليات الأساسية، التي تعتبر حاسمة لتقدم البحث التطبيقي في استخدام الموارد المستدامة. من المتوقع أن توفر النتائج رؤى قيمة ستعزز الابتكار في تكنولوجيا الحيوية من الجيل التالي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على إمكانيات الطحالب الدقيقة كمصادر حيوية مستدامة لمواجهة التحديات البيئية، وخاصة الاحتباس الحراري، بسبب كفاءتها العالية في التمثيل الضوئي، ونموها السريع، وقدرتها على التكيف مع بيئات متنوعة، بما في ذلك مياه البحر ومياه الصرف الصحي. لقد ركزت الأبحاث بشكل متزايد على استخدام الطحالب الدقيقة في التطبيقات الصناعية، مثل الوقود الحيوي، والمكملات الغذائية، والأدوية، والمواد البلاستيكية الحيوية، مستفيدة من هيكلها الخلوي البسيط والتقدم في الهندسة الوراثية لتعزيز إنتاج المستقلبات.
تتميز الكتلة الحيوية للطحالب الدقيقة بغناها بالدهون، والكربوهيدرات، والبروتينات، والأصباغ، حيث تعتبر ثلاثي الغليسريدات (TAGs) ملحوظة بشكل خاص لإنتاج الديزل الحيوي. على عكس النباتات الأرضية، تفتقر الطحالب الدقيقة إلى اللجنين، مما يبسط عمليات الاستخراج والتحلل المائي لإنتاج الوقود الحيوي. تؤكد المراجعة على أهمية تراكم النشا في الطحالب الدقيقة، التي تمثل بديلاً قابلاً للتطبيق للنشا المستمد من المحاصيل، خاصة في ضوء نقص الغذاء المتزايد والمساهمة الحرارية الكبيرة للأطعمة النشوية في الأنظمة الغذائية العالمية. يهدف المؤلفون إلى استكشاف استراتيجيات لتحسين تراكم النشا وتنظيمه في الطحالب الدقيقة حقيقية النواة، مما يوفر رؤى لمعالجة التحديات الصناعية والبيئية.
نقاش
في هذا القسم، يتم مناقشة دور النشا في خلايا الطحالب الدقيقة، مع تسليط الضوء على أهميته كمصدر رئيسي للطاقة وآلياته التنظيمية استجابة للإشارات البيئية. النشا، وهو بوليمر من الجلوكوز، يختلف في التركيب وموقع التخزين بين مجموعات الطحالب الدقيقة المختلفة، حيث تخزن الطحالب الخضراء مثل *Chlamydomonas* النشا في البلاستيدات الخضراء، بينما تخزن الطحالب الحمراء مثل *Cyanidioschyzon merolae* النشا الفلوريدي في السيتوبلازم. تعتبر عمليات تخليق النشا وتحلله عمليات منظمة بدقة، وهي حاسمة لإدارة الطاقة الخلوية، خاصة خلال دورات الضوء والظلام، وكذلك في ظل ظروف نقص المغذيات. على سبيل المثال، يتم تعزيز تراكم النشا خلال فترات نقص النيتروجين أو الكبريت، مما يشير إلى تحول في الأولويات الأيضية نحو تخزين الطاقة.
كما يبرز القسم دور مسار إشارة هدف الراباميسين (TOR) في تنظيم أيض النشا. يؤدي تثبيط إشارة TOR، على سبيل المثال من خلال علاج الراباميسين، إلى زيادة تراكم النشا في الطحالب الدقيقة، مما يشير إلى أن TOR يؤثر سلبًا على تخليق النشا بينما يعزز تحلله. لقد حددت تحليلات الفوسفوبروتينات البروتينات الرئيسية المعنية في تخليق النشا وتحلله، مما يكشف أن حالات الفسفرة لهذه البروتينات يمكن أن تعدل نشاطها. على وجه الخصوص، يلعب البروتين CmGLG1، المشابه للجليكوجينين، دورًا حاسمًا في بدء تخليق النشا، حيث تؤثر حالة فسفرته على تراكم النشا. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين العوامل البيئية، وإشارات الأيض، وأيض النشا في الطحالب الدقيقة، مع تداعيات لتحسين إنتاج الكتلة الحيوية والنشا في التطبيقات الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1736651
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41696172
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Imran Pancha et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
This review article highlights the significance of algae in carbon dioxide fixation and organic compound production through photosynthesis, with a particular focus on starch as the primary storage polysaccharide. Starch is essential for the production of various industrial bioproducts, including biofuels, animal feed, and bioplastics. The article examines the influence of environmental factors, such as light and nutrient availability, on starch accumulation in microalgae and discusses the regulatory mechanisms that microalgae employ to modulate starch levels under varying conditions.
Additionally, the review delves into recent research on the signaling pathways and protein functions associated with starch accumulation in microalgae. It emphasizes the need for further investigation into these fundamental processes, which are crucial for advancing applied research in sustainable resource utilization. The findings are anticipated to provide valuable insights that will foster innovation in next-generation biotechnology.
Introduction
The introduction highlights the potential of microalgae as sustainable bioresources to combat environmental challenges, particularly global warming, due to their high photosynthetic efficiency, rapid growth, and adaptability to various environments, including seawater and wastewater. Research has increasingly focused on utilizing microalgae for industrial applications, such as biofuels, nutritional supplements, pharmaceuticals, and bioplastics, leveraging their simple cellular structure and advancements in genetic engineering to enhance metabolite production.
Microalgal biomass is rich in lipids, carbohydrates, proteins, and pigments, with triacylglycerols (TAGs) being particularly noteworthy for biodiesel production. Unlike terrestrial plants, microalgae lack lignin, simplifying the extraction and hydrolysis processes for biofuel production. The review emphasizes the importance of starch accumulation in microalgae, which presents a viable alternative to crop-derived starch, especially in light of growing food scarcity and the significant caloric contribution of starchy foods to global diets. The authors aim to explore strategies for improving starch accumulation and regulation in eukaryotic microalgae, providing insights into addressing both industrial and environmental challenges.
Discussion
In this section, the role of starch in microalgal cells is discussed, highlighting its significance as a major energy reserve and its regulatory mechanisms in response to environmental cues. Starch, a polymer of glucose, varies in structure and storage location among different microalgal groups, with green microalgae like *Chlamydomonas* storing starch in chloroplasts, while red microalgae such as *Cyanidioschyzon merolae* store floridean starch in the cytoplasm. The synthesis and degradation of starch are tightly regulated processes that are crucial for cellular energy management, particularly during light and dark cycles, as well as under nutrient-deficient conditions. For instance, starch accumulation is enhanced during periods of nitrogen or sulfur deprivation, indicating a shift in metabolic priorities toward energy storage.
The section also emphasizes the role of the Target of Rapamycin (TOR) signaling pathway in regulating starch metabolism. Inhibition of TOR signaling, for example through rapamycin treatment, leads to increased starch accumulation in microalgae, suggesting that TOR negatively influences starch synthesis while promoting its degradation. Phosphoproteomic analyses have identified key proteins involved in starch synthesis and degradation, revealing that phosphorylation states of these proteins can modulate their activity. Specifically, the protein CmGLG1, similar to glycogenin, plays a critical role in initiating starch synthesis, with its phosphorylation status affecting starch accumulation. Overall, the findings underscore the complex interplay between environmental factors, metabolic signaling, and starch metabolism in microalgae, with implications for optimizing biomass and starch production in biotechnological applications.