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2023年12月29日，記者從湖北工業(yè)大學(xué)獲悉，該校生物工程與食品學(xué)院HBUT-China團(tuán)隊(duì)利用微生物細(xì)胞工廠，結(jié)合合成生物學(xué)與代謝工程技術(shù)，成功開發(fā)了CRISPR-MAD7（Cas12a）基因編輯系統(tǒng)改造谷氨酸棒狀桿菌，使秸稈生物基有效轉(zhuǎn)化成高附加值產(chǎn)物番茄紅素，將“生態(tài)包袱”變?yōu)椤熬G色財富”，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品減碳和可持續(xù)發(fā)展。得益于這一創(chuàng)新成果，該團(tuán)隊(duì)榮獲2023國際遺傳工程機(jī)器大賽金獎。

番茄紅素被譽(yù)為“植物中的黃金”，是目前科學(xué)驗(yàn)證最為有效的抗氧化活性物質(zhì)之一。其功效在于清除人體內(nèi)導(dǎo)致衰老和疾病的自由基，有助于保護(hù)血管以及預(yù)防心血管疾病。番茄紅素的傳統(tǒng)獲取方式包含從植物中直接提取以及化學(xué)合成等，然而這兩種方式存在缺陷，都不是最佳選擇。

據(jù)介紹，CRISPR-MAD7（Cas12a）基因編輯系統(tǒng)包含兩個關(guān)鍵組成部分，一是行使DNA雙鏈切割功能的Cas蛋白MAD7，二是具有導(dǎo)向功能的crRNA。簡而言之，該基因編輯系統(tǒng)類似于辦公軟件上的“查找和替換”工具?？蒲腥藛T可以通過設(shè)計具有特異性的crRNA分子，使其能識別并結(jié)合到基因組中特定的位置。隨后，Cas蛋白MAD7會被引導(dǎo)到這個特定位置，并對該位置上的DNA進(jìn)行切割。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞可以利用自身修復(fù)機(jī)制，對切割的DNA進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)對基因的編輯。

“利用該系統(tǒng)，我們可以重新設(shè)計菌株的遺傳路線，改變菌株的生長和生產(chǎn)特性，使微生物細(xì)胞更高效地生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物?！痹擁?xiàng)目學(xué)生負(fù)責(zé)人江益明說。

為了更好地將這一系統(tǒng)應(yīng)用于菌株改造，優(yōu)化系統(tǒng)所需的表達(dá)元件是一個關(guān)鍵步驟。經(jīng)過半年的不懈努力，團(tuán)隊(duì)終于獲得了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。“每一個小變量的改變都需要從頭開始實(shí)驗(yàn)，我們不厭其煩、反復(fù)對照，最終實(shí)現(xiàn)了我們的基因編輯系統(tǒng)在單個基因或大片段敲除上較高的編輯效率?！眻F(tuán)隊(duì)成員王念念說，依靠CRISPR-MAD7（Cas12a）基因編輯系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)對谷氨酸棒狀桿菌進(jìn)行了一系列改造，成功構(gòu)建了高產(chǎn)的番茄紅素菌株。相較于原始菌株，重組菌株的產(chǎn)量提高了134倍。

通過實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)秸稈先后經(jīng)過酸解和酶解處理，能有效產(chǎn)生葡萄糖，這種秸稈葡萄糖可以成為培養(yǎng)谷氨酸棒狀桿菌的碳源?！皩?shí)驗(yàn)對比顯示，相較于普通的葡萄糖，改造后的菌株在秸稈葡萄糖中培養(yǎng)后能產(chǎn)生更多番茄紅素?！眻F(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師、湖北工業(yè)大學(xué)講師鄭學(xué)云說。（記者吳純新 通訊員李雄風(fēng) 李禾）