3月22日，記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所獲悉，由該所單細胞中心徐健研究員主持完成的工業微藻染色體大片段精準切除技術 ，為藻類底盤細胞的開發打開了大門。相關成果發表在《植物學期刊》(The Plant Journal)上。
徐健介紹，作為一種“負碳”的光合細胞工廠，工業微藻能將陽光、海水和二氧化碳規模化地轉化為油脂與氫，服務于潔凈能源的供給。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。
針對這一瓶頸問題，中科院青島能源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，首次示范了>100 Kb DNA片段的單重與連續刪減，從而為“最小藻類基因組”的設計和“最簡植物底盤細胞”的構建打開了大門。徐健說。
除了光合作用、碳濃縮、油脂合成等關鍵功能模塊以外，藻類基因組上通常還包括很多由可移動元件、重復序列等組成的“功能冗余”區域。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定性。徐健表示，因此，“大刀闊斧”式精確切除這些大片段的“染色體手術刀”，是構建光驅固碳底盤細胞的必備工具。但是，由于缺乏這樣的“染色體手術刀”，藻類中從未有大片段基因組DNA切除的報導。
作為一種可規模化室外培養的工業產油微藻，微擬球藻(Nannochloropsis spp.)已成為光驅合成生物技術研究和產業的重要模式體系之一。為了開發大刀闊斧式的“染色體手術刀”，該所單細胞中心王勤濤助理研究員帶領的研究小組，根據NanDeSyn數據庫中的大量轉錄組和蛋白組數據，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域(Low-Expression Regions, LERs)，作為切除的目標區域。
研究人員設計了一個基于CRISPR/Cas的“染色體手術刀”，通過兩條用于定義剪切位置的向導RNA(gRNA)的共表達，實現了位于30號染色體5’端的基因組中最大LER中目標片段(81 Kb)的精確刪除。同時發現，“染色體手術”后，染色體末端端粒能夠自動重生，這導致長達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)得以一次性地切除。王勤濤表示，在此基礎上，研究人員通過同時表達4條gRNA，實現了分別位于30號與9號染色體上的最長和次長的兩個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，研究人員驚奇地發現，盡管經歷了這些染色體大片段切除手術，微藻細胞在生長速度、生物量、潛在最大光合速率、葉綠素熒光非光化學猝滅、油脂含量和脂肪酸不飽和度等關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。王勤濤介紹，這些發現表明，通過這種染色體手術來構建“最小藻類基因組”，具有相當的可行性。
針對微擬球藻，該所單細胞中心已發表了基于CRISPR/Cas的基因敲除技術、基于RNAi的基因敲低技術等高效遺傳操作工具與工程株庫，并通過其組織的“微擬球藻設計與合成數據庫”(NanDeSyn; http://www.nandesyn.org)，推動國內外工業微藻研究與產業群體的資源共享。徐健介紹，此次染色體大片段切除技術的發表，將進一步推動微擬球藻為光驅合成生物技術研究和產業做出特色貢獻，同時也為設計“最簡植物底盤細胞”、支撐“負碳生物制造”，奠定了一個重要的方法學基礎。(記者 王健高 通訊員 劉佳)
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