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中国科学院青岛能源研究所发明的工业微藻染色体大片段精确切除

2021-04-09 01:15:09 来源:网络

3月22日,记者从中国科学院青岛生物能源与工艺研究所获悉,由研究所单细胞中心研究员徐健主持的工业微藻染色体的精确去除,为藻类底盘细胞的发展打开了大门。研究结果发表在植物学杂志上。

刘洋供应图

徐健说,工业微藻作为一家负碳光合细胞厂,可以大规模地将阳光、海水和二氧化碳转化为石油和氢,为清洁能源的供应服务。然而,藻类基因组的大片段往往极难操作,这就阻碍了藻类底盘细胞的长期发展。

为解决这一瓶颈问题,中科院青岛能源研究所单细胞中心建立了一种准确、可控的去除藻类染色体大片段的技术,首次证明了>100kbdna片段的一次性连续缺失,从而为最小藻类基因组的设计和最简单的植物底盘细胞的构建打开了大门。

除光合作用、碳浓度、油合成等关键功能模块外,藻类基因组通常包括许多功能冗余区,由可移除元件、重复序列等组成。这些大片段的染色体DNA不仅是一个额外的代谢负担,而且影响基因组的可控性和稳定性。因此,染色体手术刀,准确地去除这些大碎片,是建立光驱固碳底盘细胞的必要工具,徐健说。然而,由于缺乏这样的手术刀,从来没有关于在藻类中去除基因组DNA的大片段的报道。

研究人员设计了一种基于CRISPR/CAS的染色体手术刀,通过共同表达确定剪切位置的两个引导RNA(GRNA),从30号染色体第5‘端最大的Ler中准确地删除目标片段(81Kb)。同时发现染色体末端端粒在染色体手术后可自动再生,导致30染色体5‘端臂(占染色体长度的22%,含24个基因)长至110kb。在此基础上,王秦涛说,研究人员通过同时表达四个gRNA,在同一细胞中切除了30号和9号染色体上最长和第二长的Ler(最大缺失214kb,包含52个基因)。

通过对单细胞精度的代谢表型分析,如拉曼群,研究人员惊讶地发现,尽管去除了这些大片段的染色体,但微藻细胞的生长率、生物量、潜在最大光合速率、叶绿素荧光非光化学猝灭、含油量和脂肪酸不饱和几乎没有受到影响。在生长率和生物量积累速率方面,有些工程植物甚至略有但显著加快。王秦涛说,这些发现表明,通过染色体手术构建最小藻类基因组是相当可行的。

对于小球藻,研究所的单细胞中心已经出版了高效的基因操纵工具和工程植物库,如基于CRISPR/CAS的基因敲除技术和基于RNAi的低基因敲除技术,并通过南德森组织的http://www.nandesyn.org促进了国内外对工业微藻的研究和资源共享。徐健说,大片段去除技术的释放将进一步推动小球藻为光驱合成生物技术的研究和工业做出有特色的贡献,同时也为最简单的植物底盘细胞的设计和支持负碳生物制造奠定了重要的方法学基础。

编辑:章启奇

审计:朱利