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工業(yè)微藻基因組中冗余片段被刪除示意圖 劉陽(yáng)供圖

3月22日，記者從中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所獲悉，由該所單細(xì)胞中心徐健研究員主持完成的工業(yè)微藻染色體大片段精準(zhǔn)切除技術(shù)，為藻類(lèi)底盤(pán)細(xì)胞的開(kāi)發(fā)打開(kāi)了大門(mén)。相關(guān)成果發(fā)表在《植物學(xué)期刊》上。

作為一種“負(fù)碳”的光合細(xì)胞工廠，工業(yè)微藻能將陽(yáng)光、海水和二氧化碳大規(guī)模轉(zhuǎn)化為油脂與氫，為清潔能源提供重要來(lái)源。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(lèi)基因組上通常還包括很多由可移動(dòng)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(huì)影響基因組的可控性與穩(wěn)定性。

但大片段操作藻類(lèi)基因組通常極為困難，這阻礙著藻類(lèi)底盤(pán)細(xì)胞的開(kāi)發(fā)。針對(duì)這一瓶頸問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院青島能源所單細(xì)胞中心建立了精確可控的藻類(lèi)染色體大片段DNA切除技術(shù)，首次對(duì)大于10萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)的DNA片段進(jìn)行了單重與連續(xù)刪減，從而為“最小藻類(lèi)基因組”的設(shè)計(jì)和“最簡(jiǎn)植物底盤(pán)細(xì)胞”的構(gòu)建打開(kāi)了大門(mén)。

研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CRISPR/Cas的“基因剪刀”，通過(guò)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(hào)染色體5’端的基因組中最大目標(biāo)片段（10萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)）的精確刪除。在此基礎(chǔ)上，他們通過(guò)同時(shí)表達(dá)4條gRNA，實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一細(xì)胞中30號(hào)與9號(hào)染色體上最長(zhǎng)和次長(zhǎng)目標(biāo)片段的并行切除。

研究人員介紹，利用“拉曼組”等單細(xì)胞精度的代謝表型分析手段，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，盡管經(jīng)歷了這些染色體大片段切除手術(shù)，微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)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(méi)有受到影響。在生長(zhǎng)速度和生物量累積速率上，一些工程株甚至有小幅加快。這些發(fā)現(xiàn)表明，“大刀闊斧”式精確切除這些大片段的“基因剪刀”，是構(gòu)建“最小藻類(lèi)基因組”的必備工具。徐健表示，此次研發(fā)的染色體大片段切除技術(shù)，將推動(dòng)以微擬球藻為光驅(qū)的合成生物技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。（記者王健高通訊員劉佳）