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、目標產(chǎn)物積累率偏低 、工藝流程復雜、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研究微藻的遺傳背景，解決生物量偏低，脂質累積率偏低、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、以及蝦青素品質等。目前生物信息學和基因工程技術的迅速發(fā)展，新型基因編輯技術已經(jīng)成為解決上述問題的重要策略。

項目主要研究內容

基因編輯技術是一種通過人工設計和改造核酸酶達到對基因進行定點修飾的技術。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，使預期基因組序列發(fā)生改變并遺傳，進而實現(xiàn)目標基因的編輯。

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

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

項目通過CRISPR/Cas9基因編輯技術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，同時改造雨生紅球藻藻種細胞壁，提高藻油的提取效率。

項目進展：

該項目為世界首創(chuàng)，任務艱巨，但國際微藻權威專家、中國科學院水生生物研究所黃開耀團隊和艾詩特科研團隊的共同努力下，項目于2年內，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)質基因轉入雨生紅球藻中，初試驗其蝦青素含量提高了1.47倍。目前，藻種已進入實際預生產(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、改造細胞壁的研究結果，將陸續(xù)發(fā)布。