利用基因剪刀 切除工业微藻大片断染色体

3月22日，记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉，由该所单细胞中心徐健研究员主持完成的工业微藻染色体大片段精准切除技术，为藻类底盘细胞的开发打开了大门。相关成果发表在《植物学期刊》上。

作为一种“负碳”的光合细胞工厂，工业微藻能将阳光、海水和二氧化碳大规模转化为油脂与氢，为清洁能源提供重要来源。除了光合作用、碳浓缩、油脂合成等关键功能模块以外，藻类基因组上通常还包括很多由可移动元件、重复序列等组成的“功能冗余”区域。这些大片段染色体DNA既是一种额外的代谢负担，也会影响基因组的可控性与稳定性。

但大片段操作藻类基因组通常极为困难，这阻碍着藻类底盘细胞的开发。针对这一瓶颈问题，中国科学院青岛能源所单细胞中心建立了精确可控的藻类染色体大片段DNA切除技术，首次对大于10万个碱基对的DNA片段进行了单重与连续删减，从而为“最小藻类基因组”的设计和“最简植物底盘细胞”的构建打开了大门。

研究人员设计了一个基于CRISPR/Cas的“基因剪刀”，通过两条用于定义剪切位置的向导RNA（gRNA）的共表达，实现了位于30号染色体5’端的基因组中最大目标片段（10万个碱基对）的精确删除。在此基础上，他们通过同时表达4条gRNA，实现了对同一细胞中30号与9号染色体上最长和次长目标片段的并行切除。

研究人员介绍，利用“拉曼组”等单细胞精度的代谢表型分析手段，他们惊奇地发现，尽管经历了这些染色体大片段切除手术，微藻细胞的生长速度、生物量、潜在最大光合速率、叶绿素荧光非光化学猝灭、油脂含量和脂肪酸不饱和度等关键性状却几乎没有受到影响。在生长速度和生物量累积速率上，一些工程株甚至有小幅加快。这些发现表明，“大刀阔斧”式精确切除这些大片段的“基因剪刀”，是构建“最小藻类基因组”的必备工具。徐健表示，此次研发的染色体大片段切除技术，将推动以微拟球藻为光驱的合成生物技术研究和产业的发展。（记者王健高通讯员刘佳）