近日，華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院熊偉教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合取得研究進(jìn)展，開(kāi)發(fā)了一種基于集群建模與CRISPR干擾（CRISPRi）的新型微生物控制策略。該研究為基因改造微生物的安全管理提供了強(qiáng)有力的解決方案，在合成生物學(xué)、生態(tài)保護(hù)、生物工程安全性提升方面具有重要意義。

基因工程推動(dòng)了合成生物學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保領(lǐng)域的快速發(fā)展，但也帶來(lái)了潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)——基因改造微生物在實(shí)驗(yàn)室外部環(huán)境中發(fā)生失控?cái)U(kuò)散，可能對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆的破壞。依賴(lài)性基因回路和“致死開(kāi)關(guān)”系統(tǒng)等傳統(tǒng)方法雖然可以在理論上限制微生物生長(zhǎng)，但在實(shí)際應(yīng)用中，微生物經(jīng)常通過(guò)基因突變或適應(yīng)性進(jìn)化規(guī)避機(jī)制，形成“逃逸體”。

為了克服此類(lèi)局限性，熊偉教授團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的代謝穩(wěn)健性調(diào)控方法。利用計(jì)算建模工具，預(yù)測(cè)并鎖定了微生物核心代謝網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵靶點(diǎn)，這些靶點(diǎn)對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性具有顯著影響。通過(guò)CRISPR干擾技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)能夠在實(shí)驗(yàn)中精準(zhǔn)調(diào)控這些基因的表達(dá)，定量控制微生物適應(yīng)度，抑制微生物的生長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)首先開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于“穩(wěn)健性預(yù)測(cè)”（Ensemble Modeling for Robustness Prediction, EMRP）的計(jì)算框架，通過(guò)模擬酶活性波動(dòng)對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的影響，篩選出對(duì)穩(wěn)健性最敏感的基因靶點(diǎn)，如大腸桿菌核心代謝網(wǎng)絡(luò)中的磷酸果糖激酶（pfk）、丙酮酸激酶（pyk）等。得益于CRISPRi技術(shù)對(duì)調(diào)控效率的提升，實(shí)驗(yàn)中使用了精簡(jiǎn)版的Cas12m蛋白和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的遺傳絕緣體RiboJ，這種組合不僅大幅減少了基因回路的泄漏，還顯著增強(qiáng)了多重基因調(diào)控的效率與穩(wěn)定性。

為了確保安全性，研究還關(guān)注了多靶點(diǎn)調(diào)控，設(shè)計(jì)了單基因、多基因聯(lián)合調(diào)控策略，證明通過(guò)同時(shí)靶向多個(gè)代謝穩(wěn)健性關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，可以顯著降低微生物逃逸的概率。例如，四重基因靶點(diǎn)（ppc、metE、ptsH和cysH）的CRISPRi設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出極強(qiáng)的生長(zhǎng)抑制效果，其逃逸頻率遠(yuǎn)低于當(dāng)前公認(rèn)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。

在多種實(shí)驗(yàn)室和自然環(huán)境模擬條件下，該系統(tǒng)均能保持較高的穩(wěn)定性和安全性，在葡萄糖、甘油、乙酸等多種碳源條件的驗(yàn)證中始終有效。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的遺傳穩(wěn)定性測(cè)試后，僅觀(guān)察到少量引導(dǎo)RNA（gRNA）突變，沒(méi)有出現(xiàn)目標(biāo)基因功能喪失的情況。研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)LuxR-AHL誘導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一種“關(guān)閉式”CRISPRi回路，在無(wú)誘導(dǎo)劑條件下，能夠有效終止微生物的增殖，進(jìn)一步提升了逃逸控制能力。

這項(xiàng)成果不僅在安全性上超越了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，還具有良好的可拓展性與應(yīng)用潛力。研究團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)將進(jìn)一步優(yōu)化CRISPRi系統(tǒng)，探索其在非模式微生物和復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，包括為工業(yè)生物領(lǐng)域提供更安全的發(fā)酵生產(chǎn)工藝，為農(nóng)業(yè)生物領(lǐng)域提供控制土壤改良微生物繁殖的新路徑、限制污染降解微生物擴(kuò)散以實(shí)現(xiàn)環(huán)境修復(fù)等。

相關(guān)研究以“Tailoring Microbial Fitness Through Computational Steering and CRISPRi-Driven Robustness Regulation”為題，在Cell Systems上發(fā)表。熊偉教授為論文唯一通訊作者，華南理工大學(xué)為通訊單位。

除了展示代謝穩(wěn)健性調(diào)控的新方法外，該研究也為基因改造微生物的設(shè)計(jì)和安全使用提供了理論和技術(shù)支持。研究的原始數(shù)據(jù)和代碼已公開(kāi)。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)希望能與更多機(jī)構(gòu)合作，推動(dòng)該技術(shù)的拓展與應(yīng)用。