细菌基因编辑技术:下一个前沿领域

从细菌制造胰岛素到更好地理解传染病和改进治疗方法，细菌基因工程重新定义了现代医学。然而，细菌基因编辑技术仍然存在严重的局限性，阻碍了许多其他领域的进展。

几十年来称为重组工程（重组介导的基因工程）的细菌工程技术让科学家可以将自己选择的DNA片段无缝交换到细菌基因组区域。但是，这种有价值且用途广泛的方法仍未得到充分利用，因为它主要限于大肠杆菌和少数其他细菌物种。

现在，哈佛大学医学院Blavatnik研究所和匈牙利Szeged的生物研究中心的研究人员开发出了一种新型基因工程方法，可大大提高细菌基因编辑效率，为这一未被充分利用的方法打开细菌世界大门。

研究人员开发出一种高通量筛选方法，以寻找最有效的蛋白质作为重组引擎。这种蛋白质被称为SSAPs，存在于噬菌体中。

研究人员应用这种新方法可以筛选出200多个SSAPs，从而鉴定出了两种看起来特别有前途的蛋白质。

其中一种蛋白将细菌基因组的单点编辑效率提高了一倍。它还将执行多重编辑的能力提高了十倍-可以同时在全基因组范围内进行多次编辑。另一种能够在人类病原体铜绿假单胞菌中实现了高效重组，铜绿假单胞菌是威胁生命的医院获得性感染的常见病原体，长期以来一直缺乏良好的遗传工具。

研究人员表示，重组将是一个非常关键的工具，未来将增强人类DNA写入和编辑能力，这是提高技术的效率和范围的重要一步。

研究人员说，以前的基因工程方法，包括基于CRISPR Cas9的基因编辑，都不适用于细菌，因为这些方法涉及到 “切割和粘贴 “DNA，这是因为与多细胞生物不同，细菌缺乏高效、精确地修复双链DNA断裂机制，因此DNA切割会极大干扰细菌基因组的稳定性，重组的优势在于，无需切割DNA即可工作。

相反，重组涉及到在细菌繁殖过程中编辑到基因组中。细菌通过繁殖过程中，它们的双链环状DNA染色体的一条链会进入每个子细胞，同时还有一个新的第二链在裂变的早期阶段生长。重组所需的原材料很短，大约90个碱基的DNA链，它们是按顺序制作的。除了链中心的编辑片段，每条链都与基因组中的一个序列相同。这些短链随着子细胞的第二条链的生长而滑入适当的位置，从而有效地将编辑内容纳入其基因组。

在许多可能的用途中，编辑体可能被设计成干扰基因，以确定其功能，或者说，改善有价值的细菌产品的生产。SSAPs介导短链在子代染色体新的一半生长中的附着和适当位置。

重组可能会使天然存在的氨基酸（蛋白质的组成部分）用人工的氨基酸替代。除此之外，这样做可以利用细菌对石油泄漏或其他污染物进行环境清理，而这些污染物依赖于这些人工氨基酸存活下来，这意味着，一旦完成了任务，就可以轻易消灭被修饰的细菌以避免将工程菌释放到环境中的风险。

一种被称为多重自动化基因组工程（MAGE）的重组版本，可以大大提升该技术的效益。MAGE的特殊优势在于它能够一举对整个基因组进行多次编辑。

许多研究人员多年来在这方面的努力已经取得了很大的进展，该研究团队发现，将MAGE与DNA序列文库一起使用是找到优化途径的组合的很好方法。

重组的后代，即具有随机基因组突变的定向进化（DIvERGE），有望在对抗传染病中受益，并可能为解决抗生素耐药性问题开辟新的途径。

通过在基因组中引入随机突变，DIvERGE可以加速细菌的自然进化。这有助于研究人员迅速发现有害细菌中自然产生的变化，这些变化会使它们对抗生素产生抗药性。重组的改进将使研究人员能够更快速地测试细菌种群如何获得对新抗菌药物的耐药性，从而帮助研究人员识别出较不容易产生耐药性的抗生素。

研究人员表示，重组技术将可能会迎来一个全新的应用世界。这种新方法大大提高了修饰细菌的能力，新方法就像编辑一本书上的文字一样，以一种以前不可能的方式打开了科学的想象空间。

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