作爲一種“負碳”的光合細胞工廠，工業微藻能将陽光、海水和二氧化碳規模化轉化爲油脂與氫，服務于潔淨能源供給。但是藻類基因組的大片段操作通常極爲困難，長期阻礙着藻類底盤細胞的開發。

針對這一瓶頸問題，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心建立了精确可控的藻類染色體大片段DNA切除技術，首次示範了>100 Kb DNA片段的單重與連續删減，從而爲“最小藻類基因組”的設計和“最簡植物底盤細胞”的構建打開一扇大門。該工作由該中心研究員徐健主持完成，相關成果日前發表于《植物學期刊》。

徐健告訴《中國科學報》，除了光合作用、碳濃縮、油脂合成等關鍵功能模塊以外，藻類基因組通常還包括很多由可移動元件、重複序列等組成的“功能冗餘”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。因此，“大刀闊斧”式精确切除這些大片段的“染色體手術刀”，是構建光驅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”，從未有大片段藻類基因組DNA切除的報道。

作爲一種可規模化室外培養的工業産油微藻，微拟球藻已成爲光驅合成生物技術研究和産業的重要模式體系之一。爲了開發大刀闊斧式的“染色體手術刀”，單細胞中心助理研究員王勤濤帶領研究小組，根據微拟球藻設計與合成數據庫中大量轉錄組和蛋白組數據，定義了海洋微拟球藻基因組上的一系列不表達或低表達區域（LERs），作爲切除的目标區域。

據王勤濤介紹，他們設計了一個基于CRISPR/Cas的“染色體手術刀”，通過兩條用于定義剪切位置的向導RNA（gRNA）的共表達，實現了位于30号染色體5’端基因組中最大LER目标片段（81 Kb）的精确删除。

研究人員還發現，“染色體手術”後，染色體末端端粒能夠自動重生，這導緻長達110 Kb的30号染色體5’端臂（占該染色體長度的22%、含24個基因）得以一次性切除。在此基礎上，研究人員通過同時表達4條gRNA，分别實現了位于30号與9号染色體上的兩個最長和次長LER（最大删除合計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，研究人員驚奇地發現，盡管經曆了這些染色體大片段切除，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卻顯著的加快。這些發現表明，通過這種染色體手術構建“最小藻類基因組”，具有相當可行性。

針對微拟球藻，單細胞中心已發表了基于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，并通過組織微拟球藻設計與合成數據庫，推動國内外工業微藻研究與産業群體資源共享。此次染色體大片段切除技術的發表，将進一步推動微拟球藻爲光驅合成生物技術研究和産業做出貢獻，同時也爲設計“最簡植物底盤細胞”、支撐“負碳生物制造”，奠定重要方法學基礎。