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) ，為藻類底盤細(xì)胞的開(kāi)發(fā)打開(kāi)了大門。相關(guān)成果發(fā)表在《植物學(xué)期刊》(The Plant Journal)上。

徐健介紹，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、海水和二氧化碳規(guī)模化地轉(zhuǎn)化為油脂與氫，服務(wù)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(zhǎng)期阻礙著藻類底盤細(xì)胞的開(kāi)發(fā)。

針對(duì)這一瓶頸問(wèn)題，中科院青島能源所單細(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(jì)和“最簡(jiǎn)植物底盤細(xì)胞”的構(gòu)建打開(kāi)了大門。徐健說(shuō)。

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。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(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”，藻類中從未有大片段基因組DNA切除的報(bào)導(dǎo)。

作為一種可規(guī)模化室外培養(yǎng)的工業(yè)產(chǎn)油微藻，微擬球藻(Nannochloropsis spp.)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(kāi)發(fā)大刀闊斧式的“染色體手術(shù)刀”，該所單細(xì)胞中心王勤濤助理研究員帶領(lǐng)的研究小組，根據(jù)NanDeSyn數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量轉(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(Low-Expression Regions, LERs)，作為切除的目標(biāo)區(qū)域。

研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CRISPR/Cas的“染色體手術(shù)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LER中目標(biāo)片段(81 Kb)的精確刪除。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，“染色體手術(shù)”后，染色體末端端粒能夠自動(dòng)重生，這導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)110 Kb的30號(hào)染色體5’端臂(占該染色體長(zhǎng)度的22%、含24個(gè)基因)得以一次性地切除。王勤濤表示，在此基礎(chǔ)上，研究人員通過(guò)同時(shí)表達(dá)4條gRNA，實(shí)現(xiàn)了分別位于30號(hào)與9號(hào)染色體上的最長(zhǎng)和次長(zhǎng)的兩個(gè)LER(最大刪除合計(jì)214 Kb，含52個(gè)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手術(shù)，微藻細(xì)胞在生長(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卻顯著的加快。王勤濤介紹，這些發(fā)現(xiàn)表明，通過(guò)這種染色體手術(shù)來(lái)構(gòu)建“最小藻類基因組”，具有相當(dāng)?shù)目尚行浴?/p>

針對(duì)微擬球藻，該所單細(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(kù)，并通過(guò)其組織的“微擬球藻設(shè)計(jì)與合成數(shù)據(jù)庫(kù)”(NanDeSyn;  http://www.nandesyn.org)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)外工業(yè)微藻研究與產(chǎn)業(yè)群體的資源共享。徐健介紹，此次染色體大片段切除技術(shù)的發(fā)表，將進(jìn)一步推動(dòng)微擬球藻為光驅(qū)合成生物技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)做出特色貢獻(xiàn)，同時(shí)也為設(shè)計(jì)“最簡(jiǎn)植物底盤細(xì)胞”、支撐“負(fù)碳生物制造”，奠定了一個(gè)重要的方法學(xué)基礎(chǔ)。(記者 王健高 通訊員 劉佳)

關(guān)鍵詞： 青島能源 工業(yè)微藻染色體