Metabolic and Lipidomic Profling of Docosahexaenoic acid Producing Aurantiochytrium sp. T66

Abstract

Fiskeoljeproduksjonen er hovedkilden til omega-3 fettsyrer i fôr til lakseoppdrett, og tilførselen av fiskeolje har blitt en begrenset ressurs. Samtidig forventes det at den marine akvakulturen vil fortsette å vokse, og fôret til lakseoppdretten vil være avhengig sterkt av nye alternative kilder til omega-3 fett syrer. Thraustochytrider er lovende oljeproduserende mikroorganismer for omega-3 fettsyrer, og lipidinnholdet kan manipuleres ved å endre vekstbetingelsene. I denne studien ble Aurantiochytrium sp. T66 undersøkt som en mikrobiell produksjonsvert for docosahexaensyre (DHA). Effekten av næringsbegrensinger på lipidom- og metabolomnivå ble undersøkt i T66 cellene. Eksperimentene avslørte at nitrogenbegrensning og oksygenbegrensing (1 % metning) induserte lipidakkumuleringsfasen og økte lipidinnholdet i biomassen. Det observerte maksimale utbyttet av biomasse var 21,8 g/l tørrvekt og lipidinnholdet var 59,3 % av tørrvekten. DHA utgjorde den største andelen av flerumettede fettsyrer (PUFA) og det maksimale observerte utbyttet av DHA var 1.9 g/l. Videre har nitrogenbegrensing kombinert med oksygenbegrensing ingen positiv endring på DHA-produksjonen, og det konkluderes at denne kombinasjonen ikke anbefales. Metabolomprofilering av sentral karbonmetabolisme i nitrogenbegrensede T66 celler under vekstfase og lipidakkumuleringsfase ble utført. Målinger indikerte forskjellige metabolittprofiler i de nevnte fasene. Metabolitt-poolen av aminosyrer, organiske syrer og nukleotidfosfat ble sterkt redusert som et resultat av nitrogenbegrensing. I tillegg viste nitrogenbregrensende celler en økning i metabolittkonsentrasjoner av alfa-ketoglutarat and pyruvat. Den økte trenden indikerer at metabolittene har en potensiell rolle i lipidbiosyntesen i lipidakkumuleringsfasen.

Funnene presentert i dette studiet indikerer at cellene har en umiddelbar respons på nitrogenbegrensing med redusert intracellulære metabolittkonsentrasjoner. Nitrogenbegrensing induserte noen ulike metabolske responser, noe som gjør det svært interessant å studere lipidbiosyntesen. Samlet gir funnene innsikt i den metabolske responsen på næringsbegrensing og bidrar til økt kunnskapen om biokjemien til Aurantiochytrium sp. T66.

The fish oil production is the major source of omega-3 fatty acids in salmon farm feed, and the supply of fish oil has become a limited resource. Simultaneously, the marine aquaculture is expected to continue to grow, and the salmon farm feed will rely greatly on new alternative sources for omega-3 fatty acids. Thraustochytrids are promising oleaginous, marine microorganisms for omega-3 fatty acids production, and the lipid content can be manipulated by altering the growth conditions. In this study, Aurantiochytrium sp. T66 was investigated as a microbial production host of docosahexaenoic acid (DHA). The effects of limitation of a key nutrition on the lipidome and metabolome level was examined in the T66 cells. These experiments revealed that limitation of nitrogen and oxygen limitation (1 % of saturation) induced the lipid accumulation phase and increased the lipid content of the biomass. The observed maximum yield of biomass was 21.8 g/l of dry weight and a lipid content of 59.3 % of dry weight. DHA constituted the largest portions polyunsaturated fatty acids (PUFAs) and the maximum DHA yield observed was 1.9 g/l. Furthermore, nitrogen limitation combined with oxygen limitation has no positive change on DHA production, concluding that this combination is not recommended. Metabolite profiling of central carbon metabolism in nitrogen starved T66 cells under growth phase and lipid accumulation phase were performed. Measurements indicated different metabolite profiles in the mentioned phases. Metabolite pools of amino acids, organic acids and nucleoside phosphate were strongly decreased as a result of nitrogen limitation. In addition, nitrogen starved cells displayed an increase in metabolite concentrations of alpha-ketoglutarate and pyruvate. The increased trend indicate that the metabolites have a potential role in the lipid biosynthesis in the lipid accumulation phase.

The findings presented in this study indicate that the cells have an immediate response to nitrogen limitation with decreased intracellular metabolite pool. Nitrogen starved T66s cells seems to induce some different metabolites, which makes it of interest to study the lipid biosynthesis. Altogether, the findings provide insight into the metabolic responses to key nutrient limitation and contribute to increase the knowledge about the biochemistry of Aurantiochytrium sp. T66.