Исследователи из Института биоэнергетики и биопроцессов Циндао (QIBEBT) Китайской академии наук (CAS) прооперировали одноклеточную водоросль для удаления несущественных генов с помощью метода геномного скальпеля. Цель — создать организм, который будет производить биотопливо из CO₂ с максимальной эффективностью.

Ученые из Китая выделили 100-килобазный геном из одного типа нефтедобывающих микроводорослей, удалив гены, которые не нужны для его функционирования. Тем самым они создали «скальпель генома», который может быстро обрезать геномы микроводорослей. Полученные микроводоросли с «минимальным геномом» потенциально пригодятся в качестве модельного организма для дальнейшего изучения молекулярной и биологической функции каждого гена. Исследование опубликовано в The Plant Journal.

Создание «минимального генома» — генома, лишенного всех дублированных или явно нефункциональных «мусорных генов» — полезно для исследования фундаментальных вопросов о генетической функции и для проектирования клеточных фабрик, производящих ценные соединения. Такие минимальные геномы созданы для простых организмов, но редко для эукариотических организмов, включая водоросли или растения. У высших эукариот мусорные области могут занимать до 70% генома. Удаление того, что только кажется нежелательными генами, на самом деле может оказать вредное воздействие на организм или даже убить его.

Впервые исследователи из QIBEBT создали геном с целевыми делециями размером в 100 килобаз каждая для типа водорослей Nannochloropsis oceanica.

Делеции сотен килобазных фрагментов в микроводорослях путем расщепления Cas9. Этот рисунок был сделан с помощью BioRender. Предоставлено: Лю Ян.

N. oceanica — это микроводоросли (одноклеточные водоросли), которые обладают огромным потенциалом для производства биотоплива и биоматериалов. Однако для реализации потенциала этих микроводорослей требуется обширная генная инженерия организма, чтобы максимизировать урожайность и минимизировать производственные затраты.

Команда QIBEBT сначала определила несущественные хромосомные области — те, гены которых редко экспрессируются или активируются. Они идентифицировали десять таких «регионов с низкой экспрессией» (LER). Затем использовали технику редактирования генов CRISPR-Cas9, чтобы вырезать два самых больших LER — размером более 200 килобаз.

Несмотря на все операции, микроводоросли по-прежнему показали нормальный рост, содержание липидов, уровни насыщения жирными кислотами и фотосинтез. В некоторых случаях скорость роста и продуктивность биомассы была даже немного выше, чем у организма в дикой природе. Таким образом, применение технологии геномного скальпеля сделало эукариотическую водоросль настоящим генератором биотоплива. Кроме того, ученые обнаружили нормальные теломеры у мутантов с делецией теломер хромосомы 30. Этот феномен подразумевает, что потеря дистальной части хромосомы может вызвать регенерацию теломер.

Теперь, когда они доказали, что могут вырезать геном такого сложного эукариота, исследователи попробуют вырезать еще больше LER и другие нелетальные области. Цель — создать полностью минимальный Nannochloropsis, который производит биотопливо из CO₂ с максимальной эффективностью.