摘要：乳酸菌作为人类肠道微生物群的核心成员，不仅是酸奶、泡菜等发酵食品的“灵魂工程师”，更是近年来益生菌疗法的重要载体。然而，传统基因编辑技术如 CRISPR-Cas9 依赖外源 DNA 模板和双链断裂修复机制，存在效率低、易引发细胞死亡等不足，更因涉及转基因操作面
乳酸菌作为人类肠道微生物群的核心成员，不仅是酸奶、泡菜等发酵食品的“灵魂工程师”，更是近年来益生菌疗法的重要载体。然而，传统基因编辑技术如 CRISPR-Cas9 依赖外源 DNA 模板和双链断裂修复机制，存在效率低、易引发细胞死亡等不足，更因涉及转基因操作面临严格的法规限制。如何在不引入外源基因的前提下，精准调控乳酸菌功能，成为学术界与产业界亟待突破的难题。
近日，神户大学生物工程师 Keiji Nishida 团队在 Applied Microbiology and Biotechnology 发表发表最新研究“Development of a highly efficient base editing system for Lactobacilli to improve probiotics and dissect essential functions”，宣布成功开发了针对乳酸菌的 Target-AID 碱基编辑系统。
这一技术通过将失活的 Cas9 蛋白（nCas9）与海七鳃鳗来源的胞嘧啶脱氨酶（PmCDA1）结合，直接在目标 DNA 位点将胞嘧啶（C）转换为胸腺嘧啶（T），实现“无痕”点突变。整个过程无需外源 DNA 模板，且避免了双链断裂导致的细胞毒性，编辑效率接近 100%。研究团队通过这一技术，不仅大幅降低了与 Ⅱ 型糖尿病相关的有害代谢物产量，还首次在乳酸菌中实现多基因同步编辑与必需基因的瞬时敲除，为益生菌功能优化和基础研究开辟了新路径。
图 | 在乳酸菌中开发 Target-AID 碱基编辑系统
肠道微生物代谢产生的咪唑丙酸（ImP）已被证实会干扰胰岛素信号通路，加剧Ⅱ型糖尿病病情。而部分乳酸菌因携带 urdA 基因（编码尿刊酸还原酶），成为肠道中 ImP 的“隐形工厂”。研究团队利用 Target-AID 系统，在乳酸菌 Lactiplantibacillus plantarum 的 urdA 基因第 109 位谷氨酰胺中精准引入终止密码子（TAG），使酶功能完全失活。编辑后的菌株 ImP 产量从野生型的 8.20 μg/mL 骤降至 0.59 μg/mL，降幅超过 90%，且菌株生长速率与发酵能力未受显著影响。这一成果意味着，未来通过简单替换发酵菌种，即可生产出对糖尿病患者更友好的乳制品，而无需改变现有工艺流程。
传统 CRISPR 技术在多基因编辑时需多次操作，且依赖外源 DNA 修复模板，效率低、周期长。对比之下，Target-AID 系统通过串联多个 crRNA 表达单元，在单次操作中成功实现三个基因位点的同步编辑。在针对 urdA 及其他两个非必需基因的实验中，所有靶点的编辑效率均接近 100%。更令人瞩目的是，研究团队利用这一技术首次在乳酸菌中探索了细胞分裂必需基因 ftsZ 的功能。通过引入错义突变，他们观察到细胞丝状化的表型——这是细菌分裂受阻的典型特征。尽管突变株无法稳定传代，但这一“瞬时敲除”技术为研究必需基因的实时功能提供了全新工具，犹如为科学家配备了一台可随时暂停细胞活动的“分子显微镜”。
图 | Target-AID 碱基编辑系统成功编辑乳酸杆菌 ftsZ 基因，导致细胞形态显著变化
与传统转基因技术不同，Target-AID 仅引入天然存在的点突变，编辑后的菌株基因组中无任何外源 DNA 残留。这类菌株不被视为转基因生物，可绕过欧盟、日本等地的严苛 GMO 法规。目前，研究团队已与生物技术公司 Bio Palette 合作，推动该技术在益生菌产品中的应用测试。由于编辑后的菌株与自然变异菌株在基因组层面上无法区分，其商业化进程有望大幅缩短。例如，针对糖尿病风险因子的工程菌株，只需通过常规安全性评估即可上市，无需经历漫长的转基因审批流程。
研究团队计划将 Target-AID 技术扩展至更多工业菌株，并探索其在增强免疫力、缓解过敏等领域的应用。Nishida 展望道：“通过组合不同基因编辑，我们未来或许能根据个体健康需求，定制携带特定功能的‘智能益生菌’。”例如，针对肠易激综合征患者，可设计同时降低炎症因子分泌和增强肠道屏障功能的菌株；而针对肥胖人群，则可优化菌群的短链脂肪酸合成能力。
这项研究不仅为微生物工程树立了新标杆，更揭示了一个颠覆性趋势：当基因编辑技术摆脱转基因争议，当精准调控如同“分子橡皮擦”般轻巧无痕，人类与微生物的协作将真正迈入个性化医疗的新纪元。
参考链接：
1.Mitsunobu, H., Kita, Y., Nambu-Nishida, Y. et al. Development of a highly efficient base editing system for Lactobacilli to improve probiotics and dissect essential functions. Appl Microbiol Biotechnol 109, 96 (2025).
免责声明：本文旨在传递合成生物学最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
来源：生辉SciPhi