微生物組研究一直面臨一個(gè)重要障礙：無法在體內(nèi)編輯微生物基因組。直到現(xiàn)在，細(xì)菌基因組只能在體外進(jìn)行修改，然后重新引入宿主動物體內(nèi)?，F(xiàn)在，這一障礙已經(jīng)被克服。位于巴黎的Eligo Bioscience團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種源自噬菌體的載體，可以在小鼠腸道內(nèi)定殖的大腸桿菌中傳遞堿基編輯器并進(jìn)行修改。這是首次在腸道內(nèi)直接對細(xì)菌基因組進(jìn)行精確高效的堿基編輯。

這項(xiàng)工作發(fā)表在《自然》雜志上，題為《在小鼠腸道中對細(xì)菌進(jìn)行原位靶向堿基編輯》，由Eligo的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)共同完成，領(lǐng)導(dǎo)者包括Jesus Fernandez-Rodriguez博士（Eligo技術(shù)副總裁）、David Bikard博士（Eligo聯(lián)合創(chuàng)始人、巴斯德研究所合成生物學(xué)組組長）和Xavier Duportet博士（Eligo首席執(zhí)行官兼主席）。

在此之前，Bikard指出，“是否有可能在動物體內(nèi)對整個(gè)目標(biāo)細(xì)菌群體進(jìn)行基因修改仍然是一個(gè)懸而未決的問題?？赡艽嬖谝恍└拘缘恼系K使得這一過程無法實(shí)現(xiàn)。但現(xiàn)在我們證明了我們可以做到！”

Eligo的突破結(jié)合了載體工程和有效載荷修改兩個(gè)方面的研究，令人興奮的原因有兩個(gè)：它可能為新的微生物組基因編輯治療模式打開大門，并推出一個(gè)以前無法獲得的微生物組編輯工具箱。

北卡羅來納州立大學(xué)教授、《CRISPR期刊》主編Rodolphe Barrangou博士指出，這項(xiàng)工作“開啟了微生物組工程的新時(shí)代”。“這項(xiàng)概念驗(yàn)證研究不僅適用于大腸桿菌或小鼠腸道微生物組，還可以更廣泛地應(yīng)用于各種場合，并可以大規(guī)模部署?！?/p>

加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)新基因組研究所微生物組編輯技術(shù)的主要研究員Brady Cress博士也同意這一觀點(diǎn)。他對《基因工程與生物技術(shù)新聞》（GEN）表示，這是“一大進(jìn)步，開啟了為優(yōu)化健康而重新編寫我們微生物組的大門”。

微調(diào)而非改變

Duportet和Bikard十年前共同創(chuàng)立了Eligo；兩位朋友在公司成立時(shí)仍在接受培訓(xùn)——Duportet是麻省理工學(xué)院的研究生，Bikard是洛克菲勒大學(xué)Luciano Marraffini博士實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。今天，Duportet和Bikard組成了一個(gè)充滿活力的二人組——Duportet掌舵公司，Bikard作為科學(xué)顧問，他們在科學(xué)合作的同時(shí)依然保持著密切的友誼。

當(dāng)前的微生物組方法通?；诟淖兗?xì)菌的組成。其想法是引入細(xì)菌種類以改變平衡（如益生菌）或移除其他種類。而Eligo的重點(diǎn)在于不殺死細(xì)菌，而是如Duportet所解釋的那樣，“使其致病潛力失活，保留細(xì)菌原位”。

Bikard指出：“如果你試圖針對占據(jù)特定生態(tài)位的細(xì)菌，完全移除它可能非常困難。除非有其他東西取而代之，否則它會重新生長。因此，最好是解除其武裝，而不是殺死它。”

雙重突破

然而，Eligo的新數(shù)據(jù)并不是首次在體內(nèi)展示微生物組編輯。2023年5月，丹麥公司SNIPR Biome的研究發(fā)表在《自然生物技術(shù)》上，題為《利用工程噬菌體和抗菌CRISPR–Cas選擇性減少小鼠腸道中的大腸桿菌》。在該研究中，研究人員篩選了162種噬菌體，最終確定了8種噬菌體，這些噬菌體能夠遞送CRISPR基因編輯載荷，導(dǎo)致小鼠腸道中的大腸桿菌減少。在SNIPR Biome研究中，CRISPR導(dǎo)致的大腸桿菌被殺死。

自2014年Bikard和Marraffini在《自然生物技術(shù)》發(fā)表論文以來，人們已經(jīng)知道使用CRISPR-Cas切割細(xì)菌染色體可以有效殺死細(xì)菌。但第一代基因編輯工具效率不高，主要用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的修改，大多數(shù)細(xì)菌在這一過程中會被殺死。因此，如果目標(biāo)是在體內(nèi)進(jìn)行修改并維持細(xì)菌群體，第一代CRISPR工具并不適用。

游戲規(guī)則在堿基編輯——由Broad研究所的David Liu博士開發(fā)的更精確的基因組編輯形式——進(jìn)入工具箱時(shí)改變了。Eligo結(jié)合其在基因組編輯和遞送方面的知識，實(shí)現(xiàn)了在不改變微生物群體組成的情況下高效編輯細(xì)菌。

在針對小鼠腸道內(nèi)定殖的大腸桿菌時(shí)，Eligo的技術(shù)在超過90%的細(xì)菌中修改了目標(biāo)基因，有時(shí)達(dá)到了99.7%。這些修改在至少42天內(nèi)保持穩(wěn)定。

Barrangou指出，這些編輯的滲透率顯示出驚人的效率?！八麄冋谠O(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，”他對GEN表示?！澳軌蜃龅竭@一點(diǎn)是一回事。但能夠以這種持久性和效率做到這一點(diǎn)實(shí)際上非常重要，并為該領(lǐng)域的新機(jī)遇奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

對Bikard來說，解決基因編輯問題并不像解決遞送問題那樣困難。Eligo修改了噬菌體底盤（來自λ噬菌體）上的受體纖維，以靶向特定細(xì)菌株。通過額外的工程，這種噬菌體載體可以靶向不同的細(xì)菌株或種類。

Cress將其視為“一個(gè)可重新編程的平臺”用于靶向不同的細(xì)菌。盡管如此，盡管這項(xiàng)研究提供了一個(gè)使用最廣泛研究的噬菌體-細(xì)菌對的令人印象深刻的藍(lán)圖，Cress指出，將其擴(kuò)展到其他微生物將需要為非模式細(xì)菌開發(fā)有效的遺傳工具，并深入了解研究較少的噬菌體的遺傳學(xué)和生物學(xué)。

Duportet指出的另一個(gè)進(jìn)展是，他的團(tuán)隊(duì)能夠使用目標(biāo)細(xì)菌中的非復(fù)制質(zhì)粒證明相同的編輯效率。這是一個(gè)額外的好處，因?yàn)樗鼈儾辉趧游锏奈⑸锝M中維持轉(zhuǎn)基因。

漫長的道路

Eligo的長期目標(biāo)是開發(fā)治療方法——不一定是針對傳染病。其興趣延伸到改變微生物組的遺傳內(nèi)容以改變宿主相關(guān)疾病的因素。

一個(gè)適用的例子是將堿基編輯器傳遞到表達(dá)毒素colibactin的共生腸道大腸桿菌，以使其致突變潛力失活，從而防止人類結(jié)直腸腫瘤的發(fā)展。

但前方道路漫長，挑戰(zhàn)依然存在。Cress指出，這種方法使用基因編輯機(jī)械的短期遞送來進(jìn)行基因破壞，但其他類型的編輯（如基因插入）需要更長時(shí)間來完成（如CRISPR相關(guān)轉(zhuǎn)座酶），因此可能需要不同的遞送方法。Cress還認(rèn)為，“這項(xiàng)研究中的編輯類型可能會通過自然突變恢復(fù)，使基因移除比基因破壞更具持久性?！?/p>

這項(xiàng)研究還提出了新問題。解開微生物組的遺傳網(wǎng)絡(luò)仍處于起步階段。研究人員是否有足夠的知識使用這一新工具？

“擁有基因編輯工具很重要，”Barrangou指出。但最終，“真正重要的是知道靶向什么。知道靶向什么以及想要進(jìn)行何種編輯是秘訣的一部分?！?/p>

但Bikard認(rèn)為，這項(xiàng)工作將有助于回答一些這些問題。他說，這將是研究人員的一個(gè)非凡工具，因?yàn)樗峁┝嗽趧游矬w內(nèi)直接探究基因功能的可能性。他很高興在他位于巴黎另一端的學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室中使用它。

Duportet希望科學(xué)家們會使用這一方法，并樂于發(fā)出“合作的呼吁”?！拔覀儫o法研究所有的東西，也無法找到所有需要編輯的靶點(diǎn)，”他指出?！暗覀冇兄R來設(shè)計(jì)載體和有效載荷，使其成為可能?！?/p>

參考文獻(xiàn)：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07681-w

編輯：王洪

排版：李麗