作為一種“負碳”的光合細胞工廠，工業(yè)微藻能將陽光、海水和二氧化碳規(guī)?；D(zhuǎn)化為油脂與氫，服務(wù)于潔凈能源供給。但是藻類基因組的大片段操作通常極為困難，長期阻礙著藻類底盤細胞的開發(fā)。
針對這一瓶頸問題，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細胞中心建立了精確可控的藻類染色體大片段DNA切除技術(shù)，首次示范了>100 Kb DNA片段的單重與連續(xù)刪減，從而為“最小藻類基因組”的設(shè)計和“最簡植物底盤細胞”的構(gòu)建打開一扇大門。該工作由該中心研究員徐健主持完成，相關(guān)成果日前發(fā)表于《植物學(xué)期刊》。
徐健告訴《中國科學(xué)報》，除了光合作用、碳濃縮、油脂合成等關(guān)鍵功能模塊以外，藻類基因組通常還包括很多由可移動元件、重復(fù)序列等組成的“功能冗余”區(qū)域。這些大片段染色體DNA既是一種額外的代謝負擔，也會影響基因組的可控性與穩(wěn)定性。因此，“大刀闊斧”式精確切除這些大片段的“染色體手術(shù)刀”，是構(gòu)建光驅(qū)固碳底盤細胞的必備工具。但是，由于缺乏這樣的“染色體手術(shù)刀”，從未有大片段藻類基因組DNA切除的報道。
作為一種可規(guī)?；彝馀囵B(yǎng)的工業(yè)產(chǎn)油微藻，微擬球藻已成為光驅(qū)合成生物技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)的重要模式體系之一。為了開發(fā)大刀闊斧式的“染色體手術(shù)刀”，單細胞中心助理研究員王勤濤帶領(lǐng)研究小組，根據(jù)微擬球藻設(shè)計與合成數(shù)據(jù)庫中大量轉(zhuǎn)錄組和蛋白組數(shù)據(jù)，定義了海洋微擬球藻基因組上的一系列不表達或低表達區(qū)域（LERs），作為切除的目標區(qū)域。
據(jù)王勤濤介紹，他們設(shè)計了一個基于CRISPR/Cas的“染色體手術(shù)刀”，通過兩條用于定義剪切位置的向?qū)NA（gRNA）的共表達，實現(xiàn)了位于30號染色體5’端基因組中最大LER目標片段（81 Kb）的精確刪除。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，“染色體手術(shù)”后，染色體末端端粒能夠自動重生，這導(dǎo)致長達110 Kb的30號染色體5’端臂（占該染色體長度的22%、含24個基因）得以一次性切除。在此基礎(chǔ)上，研究人員通過同時表達4條gRNA，分別實現(xiàn)了位于30號與9號染色體上的兩個最長和次長LER（最大刪除合計214 Kb，含52個基因）在同一細胞中的并行切除。
利用“拉曼組”等單細胞精度的代謝表型分析手段，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，盡管經(jīng)歷了這些染色體大片段切除，微藻細胞的生長速度、生物量、潛在最大光合速率、葉綠素熒光非光化學(xué)猝滅、油脂含量和脂肪酸不飽和度等關(guān)鍵性狀卻幾乎沒有受到影響。在生長速度和生物量累積速率上，一些工程株甚至有小幅卻顯著的加快。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過這種染色體手術(shù)構(gòu)建“最小藻類基因組”，具有相當可行性。
針對微擬球藻，單細胞中心已發(fā)表了基于CRISPR/Cas的基因敲除技術(shù)、基于RNAi的基因敲低技術(shù)等高效遺傳操作工具與工程株庫，并通過組織微擬球藻設(shè)計與合成數(shù)據(jù)庫，推動國內(nèi)外工業(yè)微藻研究與產(chǎn)業(yè)群體資源共享。此次染色體大片段切除技術(shù)的發(fā)表，將進一步推動微擬球藻為光驅(qū)合成生物技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)做出貢獻，同時也為設(shè)計“最簡植物底盤細胞”、支撐“負碳生物制造”，奠定重要方法學(xué)基礎(chǔ)。
