Abstract The polyextremophilic Cyanidiales are eukaryotic red microalgae with promising biotechnological properties arising from their low pH and elevated temperature requirements which can minimize culture contamination at scale. Cyanidioschyzon merolae 10D is a cell wall deficient species with a fully sequenced genome that is amenable to nuclear transgene integration by targeted homologous recombination. C. merolae maintains a minimal carotenoid profile and here, we sought to determine its capacity for ketocarotenoid accumulation mediated by heterologous expression of a green algal β-carotene ketolase (BKT) and hydroxylase (CHYB). To achieve this, a synthetic transgene expression cassette system was built to integrate and express Chlamydomonas reinhardtii ( Cr ) sourced enzymes by fusing native C. merolae transcription, translation and chloroplast targeting signals to codon-optimized coding sequences. Chloramphenicol resistance was used to select for the integration of synthetic linear DNAs into a neutral site within the host genome. Cr BKT expression caused accumulation of canthaxanthin and adonirubin as major carotenoids while co-expression of Cr BKT with Cr CHYB generated astaxanthin as the major carotenoid in C. merolae . Unlike green algae and plants, ketocarotenoid accumulation in C. merolae did not reduce total carotenoid contents, but chlorophyll a reduction was observed. Light intensity affected global ratios of all pigments but not individual pigment compositions and phycocyanin contents were not markedly different between parental strain and transformants. Continuous illumination was found to encourage biomass accumulation and all strains could be cultivated in simulated summer conditions from two different extreme desert environments. Our findings present the first example of carotenoid metabolic engineering in a red eukaryotic microalga and open the possibility for use of C. merolae 10D for simultaneous production of phycocyanin and ketocarotenoid pigments. Abstract Figure

1. Abstract Wastewater (WW) treatment in anaerobic membrane bioreactors (AnMBR) is considered more sustainable than in their aerobic counterparts. However, outputs from AnMBR are mixed methane and carbon dioxide gas streams as well as ammonium- (N) and phosphate- (P) containing waters. Using AnMBR outputs as inputs for photoautotrophic algal cultivation can strip the CO 2 and remove N and P from effluent which feed algal biomass generation. Recent advances in algal engineering have generated strains for concomitant high-value side product generation in addition to biomass, although only shown in heavily domesticated, lab-adapted strains. Here, investigated whether such a strain of Chlamydomonas reinhardtii could be grown directly in AnMBR effluent with CO 2 at concentrations found in its off-gas. The domesticated strain was found to proliferate over bacteria in the non-sterile effluent, consume N and P to levels that meet general discharge or reuse limits, and tolerate cultivation in modelled (extreme) outdoor environmental conditions prevalent along the central Red Sea coast. High-value co-product milking was then demonstrated, up to 837 μg L −1 culture in 96 h, in addition to algal biomass production, ∼2.4 g CDW L −1 in 96 h, directly in effluents. This is the first demonstration of a combined bio-process that employs a heavily engineered algal strain to enhance the product generation potentials from AnMBR effluent treatment. This study shows it is possible to convert waste into value through use of engineered algae while also improve wastewater treatment economics through co-product generation. Abstract Figure

Abstract The west coast of Saudi Arabia borders the Red Sea, which maintains high average temperatures and increased salinity compared to other seas or oceans. Summer conditions in the Arabian Peninsula may exceed the temperature tolerance of most currently cultivated microalgae. The Cyanidiales are polyextremophilic red algae whose native habitats are at the edges of acidic hot springs. Cyanidioschyzon merolae 10D has recently emerged as an interesting model organism capable of high-cell density cultivation on pure CO 2 with optimal growth at 42 °C and low pH between 0.5-2. C. merolae biomass has an interesting macromolecular composition, is protein rich, and contains valuable bio-products like heat-stable phycocyanin, carotenoids, β-glucan, and starch. Here, photobioreactors were used to model C. merolae 10D growth performance in simulated environmental conditions of the mid-Red Sea coast across four seasons, it was then grown at various scales outdoors in Thuwal, Saudi Arabia during the Summer of 2022. We show that C. merolae 10D is amenable to cultivation with industrial-grade nutrient and CO 2 inputs outdoors in this location and that its biomass is relatively constant in biochemical composition across culture conditions. We also show the adaptation of C. merolae 10D to high salinity levels of those found in Red Sea waters and conducted further modeled cultivations in nutrient enriched local sea water. It was determined that salt-water adapted C. merolae 10D could be cultivated with reduced nutrient inputs in local conditions. The results presented here indicate this may be a promising alternative species for algal bioprocesses in outdoor conditions in extreme desert summer environments.