研究背景

蝦青素是一種具有著色、抗氧化、保健等多種功能的類胡蘿卜素，廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、食品、化妝品、保健、制藥等行業(yè)。自然界中雨生紅球藻是蝦青素積累量最高的微藻，規(guī)模養(yǎng)殖，商業(yè)化量產(chǎn)，但仍存在諸多瓶頸問題，如生物量偏低、目標(biāo)產(chǎn)物積累率偏低 、工藝流程復(fù)雜、培養(yǎng)周期長等。

為了充分發(fā)揮微藻生產(chǎn)潛力，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，有必要利用分子生物技術(shù)研究微藻的遺傳背景，解決生物量偏低，脂質(zhì)累積率偏低、培養(yǎng)周期長等瓶頸問題。從而，從源頭改善雨生紅球藻生物量、生產(chǎn)模式、以及蝦青素品質(zhì)等。目前生物信息學(xué)和基因工程技術(shù)的迅速發(fā)展，新型基因編輯技術(shù)已經(jīng)成為解決上述問題的重要策略。

項目主要研究內(nèi)容

基因編輯技術(shù)是一種通過人工設(shè)計和改造核酸酶達(dá)到對基因進(jìn)行定點(diǎn)修飾的技術(shù)。其核心是通過對生物體特定DNA片段的插入、敲除、修飾或替換等手段，使預(yù)期基因組序列發(fā)生改變并遺傳，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基因的編輯。

目前發(fā)展起來的基因編輯技術(shù)主要包括第一代的鋅指核酸酶、第二代的轉(zhuǎn)錄激活子樣效應(yīng)子介導(dǎo)核酸酶和近幾年興起的第三代crispr/cas9系統(tǒng)。

CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)是2020年“諾貝爾”化學(xué)獎項目。系統(tǒng)識別機(jī)制是通過人工設(shè)計的sgRNA（guide RNA）來識別目的基因組序列，并引導(dǎo) Cas9 蛋白酶進(jìn)行有效切割 DNA 雙鏈，形成雙鏈斷裂，損傷后修復(fù)會造成基因敲除或敲入等，最終達(dá)到對基因組DNA 進(jìn)行修飾的目的。相對其他編輯技術(shù)來說，操作簡單，容易構(gòu)建、精準(zhǔn)度高、并且能對多個基因位點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)編輯等優(yōu)勢。

項目通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)在雨生紅球藻中建立，鑒定雨生紅球藻基因組上每個編碼或非編碼位點(diǎn)的功能。然后，通過對藻種基因敲除、基因敲入、基因抑制和激活、多重編輯、功能基因組篩選等，完成編輯改造出新的雨生紅球藻藻種，能夠具有生物含量高，蝦青素累積含量高的特點(diǎn)，同時改造雨生紅球藻藻種細(xì)胞壁，提高藻油的提取效率。

項目進(jìn)展：

該項目為世界首創(chuàng)，任務(wù)艱巨，但國際微藻權(quán)威專家、中國科學(xué)院水生生物研究所黃開耀團(tuán)隊和艾詩特科研團(tuán)隊的共同努力下，項目于2年內(nèi)，在國際上率先建立雨生紅球藻基因編輯的遺傳操作體系，已成功將優(yōu)質(zhì)基因轉(zhuǎn)入雨生紅球藻中，初試驗其蝦青素含量提高了1.47倍。目前，藻種已進(jìn)入實(shí)際預(yù)生產(chǎn)階段。后續(xù)利用基因編輯遺傳操作體系提高蝦青素產(chǎn)量和含量、改造細(xì)胞壁的研究結(jié)果，將陸續(xù)發(fā)布。