Life-cycle assessment has been used to investigate the global warming potential (GWP) and fossil-energy requirement of a hypothetical operation in which biodiesel is produced from the freshwater alga Chlorella vulgaris, grown using flue gas from a gas-fired power station as the carbon source. Cultivation using a two-stage method was considered, whereby the cells were initially grown to a high concentration of biomass under nitrogen-sufficient conditions, before the supply of nitrogen was discontinued, whereupon the cells accumulated triacylglycerides. Cultivation in typical raceways and air-lift tubular bioreactors was investigated, as well as different methods of downstream processing. Results from this analysis showed that, if the future target for the productivity of lipids from microalgae, such as C. vulgaris, of ∼40 tons ha−1 year−1 could be achieved, cultivation in typical raceways would be significantly more environmentally sustainable than in closed air-lift tubular bioreactors. While biodiesel produced from microalgae cultivated in raceway ponds would have a GWP ∼ 80% lower than fossil-derived diesel (on the basis of the net energy content), if air-lift tubular bioreactors were used, the GWP of the biodiesel would be significantly greater than the energetically equivalent amount of fossil-derived diesel. The GWP and fossil-energy requirement in this operation were found to be particularly sensitive to (i) the yield of oil achieved during cultivation, (ii) the velocity of circulation of the algae in the cultivation facility, (iii) whether the culture media could be recycled or not, and (iv) the concentration of carbon dioxide in the flue gas. These results highlight the crucial importance of using life-cycle assessment to guide the future development of biodiesel from microalgae.

Many algae are auxotrophs for vitamin B(12) (cobalamin), which they need as a cofactor for B(12) -dependent methionine synthase (METH). Because only prokaryotes can synthesize the cobalamin, they must be the ultimate source of the vitamin. In the laboratory, a direct interaction between algae and heterotrophic bacteria has been shown, with bacteria supplying cobalamin in exchange for fixed carbon. Here we establish a system to study this interaction at the molecular level. In a culture of a B(12) -dependent green alga Chlamydomonas nivalis, we found a contaminating bacterium, identified by 16S rRNA analysis as Mesorhizobium sp. Using the sequenced strain of M. loti (MAFF303099), we found that it was able to support the growth of B(12) -dependent Lobomonas rostrata, another green alga, in return for fixed carbon. The two organisms form a stable equilibrium in terms of population numbers, which is maintained over many generations in semi-continuous culture, indicating a degree of regulation. However, addition of either vitamin B(12) or a carbon source for the bacteria perturbs the equilibrium, demonstrating that the symbiosis is mutualistic and facultative. Chlamydomonas reinhardtii does not require B(12) for growth because it encodes a B(12) -independent methionine synthase, METE, the gene for which is suppressed by addition of exogenous B(12) . Co-culturing C. reinhardtii with M. loti also results in reduction of METE expression, demonstrating that the bacterium can deliver the vitamin to this B(12) -independent alga. We discuss the implications of this for the widespread distribution of cobalamin auxotrophy in the algal kingdom.

Summary Inventors in the field of mechanical and electronic engineering can access multitudes of components and, thanks to standardization, parts from different manufacturers can be used in combination with each other. The introduction of BioBrick standards for the assembly of characterized DNA sequences was a landmark in microbial engineering, shaping the field of synthetic biology. Here, we describe a standard for Type IIS restriction endonuclease‐mediated assembly, defining a common syntax of 12 fusion sites to enable the facile assembly of eukaryotic transcriptional units. This standard has been developed and agreed by representatives and leaders of the international plant science and synthetic biology communities, including inventors, developers and adopters of Type IIS cloning methods. Our vision is of an extensive catalogue of standardized, characterized DNA parts that will accelerate plant bioengineering.

Microbial fuel cells are an emerging technology for converting organic substrates into electrical power. Recent research has shown that biofilms of some bacterial species are capable of self-mediated extracellular electron transfer. The prospect of exploiting this trait in photoautotrophic microbes that do not require an organic substrate has important implications for the future development of renewable solar energy technologies. Here we report on light-driven electrical power generated with biofilms grown from photosynthetic fresh water or marine species without the addition of an artificial electron-shuttling mediator. Green alga (Chlorella vulgaris, Dunaliella tertiolecta) or cyanobacteria (Synechocystis sp. PCC 6803, Synechococcus sp. WH 5701) strains were grown directly on a transparent, conductive anode (indium tin oxide-coated polyethylene terephthalate) and power generation under light and dark conditions was evaluated using a single-chamber bio-photovoltaic cell (BPV) system. Increased power outputs were observed for all strains upon illumination, with the largest light effect observed for Synechococcus (maximum 10.3 mW m−2 total power output recorded under 10 W m−2 white light). Further experiments conducted with Synechococcus and C. vulgaris showed that photosynthetic oxygen evolution rates were consistent with BPV power outputs under different light regimes (red, green and blue light), indicating a direct link between power output and photosynthetic activity. Biofilm power generation in these BPV devices was self-sustained for several weeks and was highly sensitive to ambient light levels. When connected in series, four BPVs (each 0.011 m2) generated enough power to run a commercial digital clock.

Vitamin B12 (cobalamin) is a dietary requirement for humans because it is an essential cofactor for two enzymes, methylmalonyl-CoA mutase and methionine synthase (METH). Land plants and fungi neither synthesize or require cobalamin because they do not contain methylmalonyl-CoA mutase, and have an alternative B12-independent methionine synthase (METE). Within the algal kingdom, approximately half of all microalgal species need the vitamin as a growth supplement, but there is no phylogenetic relationship between these species, suggesting that the auxotrophy arose multiple times through evolution. We set out to determine the underlying cellular mechanisms for this observation by investigating elements of B12 metabolism in the sequenced genomes of 15 different algal species, with representatives of the red, green, and brown algae, diatoms, and coccolithophores, including both macro- and microalgae, and from marine and freshwater environments. From this analysis, together with growth assays, we found a strong correlation between the absence of a functional METE gene and B12 auxotrophy. The presence of a METE unitary pseudogene in the B12-dependent green algae Volvox carteri and Gonium pectorale, relatives of the B12-independent Chlamydomonas reinhardtii, suggest that B12 dependence evolved recently in these lineages. In both C. reinhardtii and the diatom Phaeodactylum tricornutum, growth in the presence of cobalamin leads to repression of METE transcription, providing a mechanism for gene loss. Thus varying environmental conditions are likely to have been the reason for the multiple independent origins of B12 auxotrophy in these organisms. Because the ultimate source of cobalamin is from prokaryotes, the selective loss of METE in different algal lineages will have had important physiological and ecological consequences for these organisms in terms of their dependence on bacteria.

Microalgae are regarded as promising organisms to develop innovative concepts based on their photosynthetic capacity that offers more sustainable production than heterotrophic hosts. However, to realize their potential as green cell factories, a major challenge is to make microalgae easier to engineer. A promising approach for rapid and predictable genetic manipulation is to use standardized synthetic biology tools and workflows. To this end we have developed a Modular Cloning toolkit for the green microalga Chlamydomonas reinhardtii. It is based on Golden Gate cloning with standard syntax, and comprises 119 openly distributed genetic parts, most of which have been functionally validated in several strains. It contains promoters, UTRs, terminators, tags, reporters, antibiotic resistance genes, and introns cloned in various positions to allow maximum modularity. The toolkit enables rapid building of engineered cells for both fundamental research and algal biotechnology. This work will make Chlamydomonas the next chassis for sustainable synthetic biology.

Significance Fossil evidence shows that red algae (Rhodophyta) are one of the most ancient multicellular lineages. Their ecological, evolutionary, and commercial importance notwithstanding, few red algal nuclear genomes have been sequenced. Our analyses of the Porphyra umbilicalis genome provide insights into how this macrophyte thrives in the stressful intertidal zone and into the basis for its nutritional value as human food. Many of the novel traits (e.g., cytoskeletal organization, calcium signaling pathways) we find encoded in the Porphyra genome are extended to other red algal genomes, and our unexpected findings offer a potential explanation for why the red algae are constrained to small stature relative to other multicellular lineages.

Abstract Chlamydomonas reinhardtii has many attractive features for use as a model organism for both fundamental studies and as a biotechnological platform. Nonetheless, despite the many molecular tools and resources that have been developed, there are challenges for its successful engineering, in particular to obtain reproducible and high levels of transgene expression. Here we describe a synthetic biology approach to screen several hundred independent transformants using standardised parts to explore different parameters that might affect transgene expression. We focused on terminators and, using a standardised workflow and quantitative outputs, tested 9 different elements representing three different size classes of native terminators to determine their ability to support high level expression of a GFP reporter gene. We found that the optimal size reflected the median size of element found in the C. reinhardtii genome. The behaviour of the terminator parts was similar with different promoters, in different host strains and with different transgenes. This approach is applicable to the systematic testing of other genetic elements, facilitating comparison to determine optimal transgene design.

Abstract Photosynthetic microalgae are an attractive source of food, fuel or nutraceuticals, but commercial production of microalgae is limited by low spatial efficiency. In the present study, we developed a simple photosynthetic hydrogel system that cultivates the green microalga, Marinichlorella kaistiae KAS603, together with a novel strain of the bacteria Erythrobacter sp.. We tested the performance of the co-culture in the hydrogel using a combination of chlorophyll- a fluorimetry, microsensing and bio-optical measurements. Our results showed that growth rates in algal-bacterial hydrogels were about 3-fold enhanced compared to hydrogels with algae alone. Chlorophyll- a fluorimetry based light curves found that electron transport rates were enhanced about 20% for algal-bacterial hydrogels compared to algal hydrogels for intermediate irradiance levels. We also show that the living hydrogel is stable under different environmental conditions and when exposed to natural seawater. Our study provides a potential bio-inspired solution for problems that limit the space-efficient cultivation of microalgae for biotechnological applications.