基因编辑技术促番茄红素产量提升

2023年12月29日，记者从湖北工业大学获悉，该校生物工程与食品学院HBUT-China团队利用微生物细胞工厂，结合合成生物学与代谢工程技术，成功开发了CRISPR-MAD7（Cas12a）基因编辑系统改造谷氨酸棒状杆菌，使秸秆生物基有效转化成高附加值产物番茄红素，将“生态包袱”变为“绿色财富”，实现了产品减碳和可持续发展。得益于这一创新成果，该团队荣获2023国际遗传工程机器大赛金奖。

番茄红素被誉为“植物中的黄金”，是目前科学验证最为有效的抗氧化活性物质之一。其功效在于清除人体内导致衰老和疾病的自由基，有助于保护血管以及预防心血管疾病。番茄红素的传统获取方式包含从植物中直接提取以及化学合成等，然而这两种方式存在缺陷，都不是最佳选择。

据介绍，CRISPR-MAD7（Cas12a）基因编辑系统包含两个关键组成部分，一是行使DNA双链切割功能的Cas蛋白MAD7，二是具有导向功能的crRNA。简而言之，该基因编辑系统类似于办公软件上的“查找和替换”工具。科研人员可以通过设计具有特异性的crRNA分子，使其能识别并结合到基因组中特定的位置。随后，Cas蛋白MAD7会被引导到这个特定位置，并对该位置上的DNA进行切割。团队还发现，细胞可以利用自身修复机制，对切割的DNA进行修复，实现对基因的编辑。

“利用该系统，我们可以重新设计菌株的遗传路线，改变菌株的生长和生产特性，使微生物细胞更高效地生产目标产物。”该项目学生负责人江益明说。

为了更好地将这一系统应用于菌株改造，优化系统所需的表达元件是一个关键步骤。经过半年的不懈努力，团队终于获得了理想的实验结果。“每一个小变量的改变都需要从头开始实验，我们不厌其烦、反复对照，最终实现了我们的基因编辑系统在单个基因或大片段敲除上较高的编辑效率。”团队成员王念念说，依靠CRISPR-MAD7（Cas12a）基因编辑系统，团队对谷氨酸棒状杆菌进行了一系列改造，成功构建了高产的番茄红素菌株。相较于原始菌株，重组菌株的产量提高了134倍。

通过实验，团队还发现秸秆先后经过酸解和酶解处理，能有效产生葡萄糖，这种秸秆葡萄糖可以成为培养谷氨酸棒状杆菌的碳源。“实验对比显示，相较于普通的葡萄糖，改造后的菌株在秸秆葡萄糖中培养后能产生更多番茄红素。”团队指导老师、湖北工业大学讲师郑学云说。（记者吴纯新 通讯员李雄风 李禾）