基因編輯技術助力海洋藻類產油量翻倍

基因編輯技術助力海洋藻類產油量翻倍

陳光風

（獨立生物醫學評論人）

人類世界是一個能源世界，人類對能源的渴求和挖掘可以說是慾望無窮，抓住任何一絲機會來獲得能源。在陸地上面的石油、煤炭資源越來越少、地球污染越來越嚴重的情況下，開發新型的能源是大勢所趨，包括太陽能、風能、生物質燃料，並且，人們自然而言就把能源需求的魔爪伸向廣袤無垠的大海。

人們早就知道，海洋中一些微生物能夠生產油類物質，比如一種學名叫做「Nannochloropsisgaditana」的海洋微生物，翻譯過來中文叫做微擬球藻，是一種非常具有潛力的產油海洋微生物。科學家們一直致力於將這種微生物應用於生物質油的生產，但是無奈其產油能力一直不是很理想，科學家們一直沒有找到好的方法來提高其產油量。

但是最近，一家位於美國加利福利亞州的La Jolla市的基因公司在權威期刊《Nature Biotechnology》上面報道，他們通過基因編輯技術CRISPR-Cas9來篩選微擬球藻中與油類物質相關的基因，結果尋找到一個與油類物質產量相關的基因，這個基因與真菌的Zn(ii)2Cys6表達基因同源，當利用基因編輯技術敲除這個基因在Nannochloropsisgaditana這種微擬球藻中的表達之後，微擬球藻產生油類物質的量比野生型的翻倍【1】。這家基因公司的名字叫做「Synthetic Genomics Inc.」，中文名叫做「合成基因公司」，其也是由石油巨頭投資建設的專門以改造微生物來生產生物質能源為目的的公司。說起這家公司可能大家不熟悉，但是這家公司的建立者的名字卻在全世界廣為知曉，他就是被稱為「基因狂人」的克雷格·文特爾，英文名叫做John Craig Venter，也曾經做過時代雜誌的封面人物。文特爾可以說是一位傳奇人物，我把他視為真正的英雄。他先當過士兵，後來在社區大學讀書，其後又在加州大學得到了學位，之後在紐約大學獲得了教職，然後又進入了美國國立衛生研究院NIH幹活。他的這些經歷都可以說平淡無奇，甚至比不上大多數中國在海外成名的科學家的前半生經歷。直到他干過兩件轟動世界的事情才在全世界揚名立萬。一件事是他創立了Celera公司來測定人類全基因組序列，本來他是打算全部測完的，以一己之力對抗世界，後來全世界的科學家們覺得讓一個士兵出生的莽夫全部幹掉當時世界上最前沿、最先進、最龐大的項目，這就太丟面子了，以後還怎麼在世人面前抬頭呢？於是苦苦哀求文特爾刀下留人，分一半基因組給他們組織的六個世界主要強國的科學家們來測定。當然，這其中的故事寫的太玄幻，實際情況肯定不是這樣的，不必完全相信。但是這也掩蓋不了文特爾英雄的光輝！儘管現代社會是一個要求高度合作、共贏的社會，但是在科學世界裡面貌似合作太多之後，就會產生大量的隨波逐流，跟風運動以及大量的我稱之為「懶蟲科學家」，說白了，這種「懶蟲科學家」實際上是以合作的名義去趁熱度，拿資源，獲名譽，自己久而久之喪失了新銳的敏感思維，變得平庸起來，最後根本就不可能創造得出什麼創新的研究。我一直認為，科學世界就是太缺少文特爾這種猶如荒漠野狼般獨行於天下的英雄科學家了，以一己之力推動科學突破，絕不隨波逐流，這就是英雄的科學家，這就是英雄的世界！另一件事情是他領導一隻研究團隊製造出了一個人工細菌，這是人類史上第一次合成製造一個生命，這也算是一件突破的事情。

當然，廢話說的太多了，言歸正傳。

研究者們是如何做的呢？之前有一些研究表明，在缺乏氮元素的情況下，微擬球藻就會逐漸在細胞中積累脂醯甘油（lipid triacylglycerol, TAG）這種脂類物質，這過程中必然發生與脂類物質形成相關的基因轉錄調控改變。於是，利用這一特點，研究者們就通過RNA測序技術來比較評估缺乏氮元素的微擬球藻（-N組）和重新加入氮元素之後的微擬球藻（+N組）的基因表達的變化。脂類物質的積累變化可以通過測定脂肪酸甲酯（fatty acidmethyl esters, FAME）來反映。如下面的圖一所示，-N組的脂類的量與+N在第三個小時及三個小時之前沒有差別，而第三個小時之後就慢慢出現差別了，缺乏氮元素（-N組）累積脂類物質的速率明顯快於（+N組），到第十個小時時，-N組的脂類物質已經是+N組的兩倍。而細胞代謝的結果出現肯定是落後於相關的基因表達的，即在前面的三個小時中，缺乏氮元素（-N組）的細胞基因表達開始變化，轉錄脂類物質積累相關的mRNA，然後這些mRNA再翻譯成功能蛋白質，進而調節脂類的累積。因此，如A小圖所示，進行RNA測序的時間點是在三個小時之前，而非三個小時之後。RNA測序之後，研究者們獲得了1064個差異表達基因（B小圖），最終研究者們挑選了20個具有代表性的廣泛表達的基因來做進一步研究，這些基因作為候選基因來進一步篩選哪些基因與微擬球藻的脂類積累有關係。

圖一（Imad Ajjawi等，Nature Biotechnology，2017）

接下來的工作就簡單了，就是利用非常成熟的CRISPR-Cas9基因編輯技術來在微擬球藻基因組中一一敲除這20個基因，然後觀察脂類物質的產量就行了。在細菌裡面利用基因編輯技術敲除幾十個基因在基因編輯技術如此成熟的今天應該都算是小兒科了。上面的C小圖表示一個基因敲除的示意圖，採用的是插入潮黴素hygromaycin抗性基因，具體不再詳說。D小圖表示獲得了潮黴素抗性菌群。E小圖顯示敲除了ZnCys轉錄因子（ZnCys-KO）的微擬球藻積累脂類的量是野生型微擬球藻的兩三倍。F小圖顯示，ZnCys-KO即敲除了ZnCys轉錄因子的微擬球藻在細胞中積累了脂類油滴，其細胞內各種形態與缺乏氮元素（-N組）的微擬球藻非常類似，而與野生型完全不同，因此，說明敲除ZnCys轉錄因子也能夠達到缺乏氮元素微擬球藻產油脂的狀態。

當然，在後面的研究中，科學家們解讀了一堆雜七雜八的東西，在我看來意義並不是很大，因此不做介紹了，關鍵是像這樣的針對微生物的改造只需要告訴我們改造了哪些基因，結果如何就可以了。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！