Engineering of CRISPR-BrCas12b System for Efficient Genome Editing in Thermophilic Bacteria
本研究报告了一种耐热型 CRISPR-BrCas12b 系统的开发，该系统能够在嗜热细菌 *Thermus antranikianii* 中于 45–70°C 下进行精确的基因组编辑，从而克服了以往工具的局限性，并使其能够作为下一代细胞工厂使用。
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在微观生命的深处，存在着一个热量并非障碍而是家园的世界。这些是嗜热菌，是在温泉和深海热液喷口等酷热环境中茁壮成长的细菌，它们在足以瞬间杀死大多数其他生命形式的高温下生长得最好。对于科学家而言，这些喜热的生物不仅仅是生物学上的奇趣现象；它们更是未来的潜在工厂。由于它们生活在如此高温的环境中，它们产生的酶具有极高的稳定性，能够在工业生产过程中高效工作，而无需昂贵的冷却系统。然而，将它们用于制造业一直很困难。要将一种微生物转变为工厂，科学家必须能够重写其遗传密码，这一过程被称为基因组编辑。几十年来，用于编辑基因的工具在人体温度下表现良好，但在这些嗜热菌所需的高温环境下却表现得极其糟糕，导致大量的生物潜力无法被开发利用。
中山大学的一个研究小组现在通过设计一种专门为高温环境设计的全新工具，填补了这一空白。他们将研究重点放在了一种名为 Thermus antranikianii 的细菌上，这是一种生长迅速且具有精简遗传结构的嗜热微生物，使其成为工业应用的理想候选对象。挑战在于，标准的基因编辑工具依赖于一种名为 Cas9 的分子机器，但这种工具在 Thermus antranikianii 繁衍所需的 60 摄氏度高温下根本无法运作。为了解决这个问题，科学家们转向了一种不同的分子机器——BrCas12b。与它更著名的亲戚不同，BrCas12b 天然在高温下保持稳定。研究人员对这种蛋白质进行了改造，使其能在 Thermus antranikianii 内部工作，从而创造出一个可以在该细菌的高温环境中精确切割并编辑 DNA 的系统。
他们这项成就的核心在于这个新系统的运作方式。研究人员构建了一个紧凑的遗传工具，其作用就像一把分子剪刀。该工具由负责切割的 BrCas12b 蛋白质和充当 GPS 引导剪刀前往需要编辑的精确 DNA 地点的引导 RNA 组成。团队在不同的温度范围内测试了这个系统，发现它在 45 到 70 摄氏度之间具有高精度，完美匹配了该细菌的生长条件。他们发现该系统在 65 摄氏度时效率最高。此外，他们还绘制出了该工具可以切割的位置。它寻找 DNA 序列中特定的三字母代码以确定起始位置，他们发现它识别 TTN 模式，并对 TTT 和 TTC 序列有强烈的偏好。这使得该系统能够访问该细菌整个基因组中广泛的可编辑位点，为科学家提供了大量的遗传修饰选择。
为了证明该系统的有效性，研究人员首先测试了其关闭基因的能力。他们将该工具与一个产生 β-半乳糖苷酶的基因一同引入细菌中。当编辑工具开启时，它成功地切割了该基因，细菌显示的酶活性显著下降，这表明该系统可以有效地使特定基因失活，这是理解细菌运作机制的关键步骤。接下来，他们测试了该工具插入新遗传物质的能力。他们的目标是将一段新的 DNA 插入到细菌基因组的特定位置。该系统在目标位点成功进行了切割，并且细菌自身的修复机制将新的 DNA 精确地缝合在了预定位置。这证实了该工具不仅可以破坏基因，还可以向基因组中添加新的指令，而这一能力对于构建复杂的生物电路至关重要。
这项工作的意义超越了单一的细菌。研究人员展示了他们的工具具有通用性，只要生长在相同的温度范围内，很可能也能用于其他嗜热细菌。通过为 Thermus antranikianii 提供一种可靠的基因编辑方法，他们消除了阻碍该生物体进行研究和工业应用的重大瓶颈。这种新能力为工程化这些微生物以生产珍贵的耐热酶，或使其成为在高温条件下高效运行的稳健细胞工厂打开了大门。这种耐热编辑平台的开发代表了合成生物学迈出的务实一步，将一种难以操纵的微生物转变为一种可控且强大的绿色制造工具。
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