作為一種“負(fù)碳”的光合細(xì)胞工廠，工業(yè)微藻能將陽光、海水和二氧化碳規(guī)模化轉(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(xì)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(xì)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(xì)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(fù)擔(dān)，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(xì)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(xì)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(dá)或低表達(dá)區(qū)域（LERs），作為切除的目標(biāo)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(dá)，實(shí)現(xiàn)了位于30號染色體5’端基因組中最大LER目標(biāo)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(dá)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(dá)4條gRNA，分別實(shí)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(xì)胞中的并行切除。
利用“拉曼組”等單細(xì)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(xì)胞的生長速度、生物量、潛在最大光合速率、葉綠素?zé)晒夥枪饣瘜W(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(dāng)可行性。
針對微擬球藻，單細(xì)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(jìn)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(xiàn)，同時也為設(shè)計“最簡植物底盤細(xì)胞”、支撐“負(fù)碳生物制造”，奠定重要方法學(xué)基礎(chǔ)。
