科技日报记者 吴纯新 通讯员 李雄风 李禾
12月11日，记者从湖北工业大学获悉，该校生物工程与食品学院带领的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，成功开发先进的CRISPR-MAD7（Cas12a）基因编辑系统，改造谷氨酸棒杆菌，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，预防心血管疾病等健康问题。番茄红素传统获取方式包含植物直接提取、化学合成等方式。然而，直接提取含量低，化学合成可能带来毒性，这两者都不是最佳选择。
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，CRISPR-MAD7（Cas12a）技术类似办公软件上的“查找和替换”工具。科研人员可以通过设计特异的RNA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，对该位置上的DNA进行切割。该团队还发现，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的产物。”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关键步骤。HBUT-China团队学生每周都投入大量时间查阅文献，并与指导老师进行深入讨论。经过半年的不懈努力，团队获得了理想的实验结果。
“每一个小变量的改变都需从头开始实验，记不清有多少次‘重来’，不厌其烦、反复对照，最终我们的编辑系统在单个基因或大片段敲除上编辑效率非常高。”HBUT-China团队成员王念念说，依靠CRISPR-MAD7系统，团队对谷氨酸棒杆菌进行一系列改造，成功构建高产的番茄红素菌株，相对于原始菌株，重组菌株产量提高了134倍。
通过实验，该团队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。
“经过实验对比，相较普通葡萄糖，改造后的菌株在秸秆葡萄糖中培养后，产生更多番茄红素。”指导老师郑学云说，番茄红素可添加到药品、保健品、化妆品中，应用前景广阔，用秸秆作为菌群“养分”生产高值产品，也为环境保护和秸秆处理提供了新思路。
