工業微藻基因組中冗余片段被刪除示意圖 劉陽供圖
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》上。
作為一種“負碳”的光合細胞工廠，工業微藻能將陽光、海水和二氧化碳大規模轉化為油脂與氫，為清潔能源提供重要來源。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。
但大片段操作藻類基因組通常極為困難，這阻礙著藻類底盤細胞的開發。針對這一瓶頸問題，中國科學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，首次對大于10萬個堿基對的DNA片段進行了單重與連續刪減，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。
研究人員設計了一個基于CRISPR/Cas的“基因剪刀”，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’端的基因組中最大目標片段（10萬個堿基對）的精確刪除。在此基礎上，他們通過同時表達4條gRNA，實現了對同一細胞中30號與9號染色體上最長和次長目標片段的并行切除。
研究人員介紹，利用“拉曼組”等單細胞精度的代謝表型分析手段，他們驚奇地發現，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加快。這些發現表明，“大刀闊斧”式精確切除這些大片段的“基因剪刀”，是構建“最小藻類基因組”的必備工具。徐健表示，此次研發的染色體大片段切除技術，將推動以微擬球藻為光驅的合成生物技術研究和產業的發展。（記者王健高通訊員劉佳）
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