作為一種“負碳”的光合細胞工廠，工業(yè)微藻能將陽光、海水和二氧化碳規(guī)模化地轉(zhuǎn)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(fā)。針對這一瓶頸問題，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(xù)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。相關成果發(fā)表在《植物學期刊》（The Plant Journal）上。
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(qū)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(wěn)定性。因此，“大刀闊斧”式精確切除這些大片段的“染色體手術刀”，是構建光驅(qū)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(guī)?；彝馀囵B(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“染色體手術刀”，單細胞中心王勤濤助理研究員帶領的研究小組，根據(jù)NanDeSyn數(shù)據(jù)庫中的大量轉(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或低表達區(qū)域（Low-Expression Regions, LERs），作為切除的目標區(qū)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?qū)NA（gRNA）的共表達，實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，“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。在此基礎上，研究人員通過同時表達4條gRNA，實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，盡管經(jīng)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。這些發(fā)現(xiàn)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?shù)目尚行浴?/font>
針對微擬球藻，單細胞中心已發(fā)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(shù)據(jù)庫”（NanDeSyn; http://www.nandesyn.org），推動國內(nèi)外工業(yè)微藻研究與產(chǎn)業(yè)群體的資源共享。此次染色體大片段切除技術的發(fā)表，將進一步推動微擬球藻為光驅(qū)合成生物技術研究和產(chǎn)業(yè)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。
該工作由單細胞中心徐健研究員主持完成，得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、韓國科學技術信息通信部等的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1111/tpj.15227.
Qintao Wang, Yanhai Gong, Yuehui He, Yi Xin, Nana Lv, Xuefeng Du, Yun Li, Byeong-ryool Jeong, Jian Xu*. Genome engineering of Nannochloropsis with hundred-kilobase fragment deletions by Cas9 cleavages. The Plant Journal 2021.
