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在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自丹麥技術(shù)大學(xué)、美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)伯克利分校和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的研究人員開(kāi)發(fā)出一種基于CRISPR/Cas9的方法，從而能夠靈活地對(duì)必需的酶和非必需的酶進(jìn)行基因改造。這有很多應(yīng)用，包括開(kāi)發(fā)產(chǎn)生基于生物的藥物、食品添加劑、燃料和化妝品的方法。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年7月的Metabolic Engineering期刊上，論文標(biāo)題為“CasPER, a method for directed evolution in genomic contexts using mutagenesis and CRISPR/Cas9”。
 

圖片來(lái)自The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, DTU。

丹麥技術(shù)大學(xué)諾和諾德基金會(huì)生物可持續(xù)發(fā)展中心研究員Tadas Jakociunas說(shuō)，“當(dāng)有生產(chǎn)菌株時(shí)，這將使得更容易對(duì)生物合成通路中的某些限制酶進(jìn)行基因改造，提高它們的效率、特異性或多樣性。人們將能夠發(fā)現(xiàn)這個(gè)通路中的酶變體，這會(huì)增加有價(jià)值的化合物的產(chǎn)量。”

這種新開(kāi)發(fā)的方法稱為CasPER，并且是基于CRISPR/Cas9等現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)建出來(lái)的，其中，CRISPR/Cas9近年來(lái)已用于酵母中的基因組改造和重編程。然而，這種新的工具能夠讓科學(xué)家們通過(guò)整合更長(zhǎng)的多樣化片段來(lái)對(duì)酶或它們的活性結(jié)構(gòu)域進(jìn)行基因改造，從而提供了靶向特定基因組區(qū)域中的每個(gè)堿基的機(jī)會(huì)。在酵母中，CasPER能夠以幾乎100％的效率整合發(fā)生突變的DNA片段，甚至能夠以多重的方式進(jìn)行整合。

發(fā)現(xiàn)酶變體

通過(guò)對(duì)這種新方法進(jìn)行深入分析，這些研究人員得出結(jié)論：與現(xiàn)存的CRISPR/Cas9方法之間的主要差別在于CasPER允許地和以多重的方式整合攜帶著多種突變的大片段DNA，從而產(chǎn)生具有數(shù)十萬(wàn)種酶變體的細(xì)胞庫(kù)。

盡管其他的CRISPR方法主要依賴于整合較短的序列而讓DNA多樣化，而且這需要多輪基因改造，但是CasPER顯著拓寬了接受基因改造的DNA片段的長(zhǎng)度。此外，它不需要任何額外的步驟，這使得更快和更有效地讓酶多樣化，從而產(chǎn)生更高產(chǎn)量的所需化學(xué)物。

篩選平臺(tái)

比如，在引入CRISPR/Cas9之前，對(duì)酵母中的必需酶進(jìn)行基因改造是一個(gè)相當(dāng)緩慢的過(guò)程。如今，對(duì)酶進(jìn)行更加和特異性的基因改造是可行的，這就允許它們將更多的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。

Jakociunas說(shuō)，“構(gòu)建用于產(chǎn)生有價(jià)值化合物的細(xì)胞工廠仍然是非常昂貴和耗時(shí)的，因此將所有這些資金和時(shí)間投入在基因改造上需要得到回報(bào)。你需要生產(chǎn)一定數(shù)量的產(chǎn)品以讓它具有商業(yè)相關(guān)性，而且像CasPER這樣的工具肯定有助于加速和放大這個(gè)過(guò)程。”

作為這項(xiàng)研究的概念驗(yàn)證，這些研究人員靶向了甲羥戊酸途徑（mevalonate pathway）中的幾種必需的酶。這種生物合成途徑負(fù)責(zé)甾醇的產(chǎn)生，并且在大多數(shù)有機(jī)體中是必需的。從對(duì)人類的研究來(lái)看，它因是他汀類藥物的靶標(biāo)而廣為人所知，其中他汀類藥物是一類降膽固醇藥物。這類藥物通過(guò)抑制該途徑中的一些步驟而發(fā)揮作用。在一些細(xì)菌和真核生物中，該途徑負(fù)責(zé)產(chǎn)生大的一類化合物---類異戊二烯（isoprenoid）。為了證實(shí)CasPER的適用性和效率，他們靶向了甲羥戊酸途徑中的兩種必需酶，并且能夠構(gòu)建細(xì)胞工廠，從而將類胡蘿卜素的產(chǎn)量增加了11倍。

行業(yè)和學(xué)術(shù)界的巨大潛力

在未來(lái)，CasPER能夠廣泛用于學(xué)術(shù)界和行業(yè)。盡管這種方法的主要應(yīng)用是加速設(shè)計(jì)和優(yōu)化細(xì)胞工廠，并降低這種設(shè)計(jì)和優(yōu)化的成本，但是它也能夠應(yīng)用于需要DNA多樣化的任何實(shí)驗(yàn)。

Jakociunas說(shuō)，“你能夠研究蛋白功能以便開(kāi)發(fā)蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)工具，以及研究蛋白與DNA、底物和其他分子之間的相互作用以便讓啟動(dòng)子、終止子和增強(qiáng)子之類的調(diào)控元件多樣化。”

這種方法在酵母中得到驗(yàn)證，但是它也能夠用于其他的具有的同源重組機(jī)制的有機(jī)體。（生物谷 ）

參考資料：

TadasJako?iūnasa, Lasse E.Pedersena, Alicia V.Lis et al. CasPER, a method for directed evolution in genomic contexts using mutagenesis and CRISPR/Cas9. Metabolic Engineering, July 2018, 48:288-296, doi:10.1016/j.ymben.2018.07.001.