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湖北工業大學生物工程與食品學院HBUT-China團隊利用微生物細胞工廠，結合合成生物學與代謝工程技術，成功開發了CRISPR-MAD7（Cas12a）基因編輯系統改造谷氨酸棒狀桿菌，使秸稈生物基有效轉化成高附加值產物番茄紅素，將“生態包袱”變為“綠色財富”，實現了產品減碳和可持續發展。得益于這一創新成果，該團隊榮獲2023國際遺傳工程機器大賽金獎。
番茄紅素被譽為“植物中的黃金”，是目前科學驗證最為有效的抗氧化活性物質之一。其功效在于清除人體內導致衰老和疾病的自由基，有助于保護血管以及預防心血管疾病。番茄紅素的傳統獲取方式包含從植物中直接提取以及化學合成等，然而這兩種方式存在缺陷，都不是最佳選擇。
據介紹，CRISPR-MAD7（Cas12a）基因編輯系統包含兩個關鍵組成部分，一是行使DNA雙鏈切割功能的Cas蛋白MAD7，二是具有導向功能的crRNA。簡而言之，該基因編輯系統類似于辦公軟件上的“查找和替換”工具。科研人員可以通過設計具有特異性的crRNA分子，使其能識別并結合到基因組中特定的位置。隨后，Cas蛋白MAD7會被引導到這個特定位置，并對該位置上的DNA進行切割。團隊還發現，細胞可以利用自身修復機制，對切割的DNA進行修復，實現對基因的編輯。
“利用該系統，我們可以重新設計菌株的遺傳路線，改變菌株的生長和生產特性，使微生物細胞更高效地生產目標產物。”該項目學生負責人江益明說。
為了更好地將這一系統應用于菌株改造，優化系統所需的表達元件是一個關鍵步驟。經過半年的不懈努力，團隊終于獲得了理想的實驗結果。“每一個小變量的改變都需要從頭開始實驗，我們不厭其煩、反復對照，最終實現了我們的基因編輯系統在單個基因或大片段敲除上較高的編輯效率。”團隊成員王念念說，依靠CRISPR-MAD7（Cas12a）基因編輯系統，團隊對谷氨酸棒狀桿菌進行了一系列改造，成功構建了高產的番茄紅素菌株。相較于原始菌株，重組菌株的產量提高了134倍。
通過實驗，團隊還發現秸稈先后經過酸解和酶解處理，能有效產生葡萄糖，這種秸稈葡萄糖可以成為培養谷氨酸棒狀桿菌的碳源。“實驗對比顯示，相較于普通的葡萄糖，改造后的菌株在秸稈葡萄糖中培養后能產生更多番茄紅素。”團隊指導老師、湖北工業大學講師鄭學云說。
