科学家回顾转基因益生菌生产和使用的最新进展和挑战
人类可以从与益生菌(影响肠道微生物群的活细菌和微生物)的共生关系中获益匪浅。当摄入适量时，益生菌可以促进肠道健康，支持免疫系统，并增强新陈代谢。
益生菌被广泛认为是微生物学领域的瑰宝，目前在医学、动物护理和食品工业中发现了新的应用。然而，由于不同菌株对不同个体健康的影响不同，以现有形式使用益生菌通常具有挑战性。因此，找到支持益生菌所提出的益处的具体证据也很困难。
幸运的是，由于我们在过去十年中见证了基因工程领域的巨大进步，特别是在引入非常流行的 CRISPR-Cas 编辑系统之后，这些挑战可以得到解决。通过使用这些工具编辑、删除或引入特定基因，我们可以定制益生菌的活性以满足我们的健康需求。为了支持有兴趣突破该领域极限的研究人员，中国华中农业大学南鹏教授及其同事最近于2023年9月29日在BioDesign Research第5卷上发表了一篇综述文章， 总结了最新进展以及与利用 CRISPR-Cas 改造益生菌相关的障碍。“作为重要的基因组编辑工具，CRISPR-Cas系统凭借其高效、灵活和特异性，为益生菌基因组编辑的新改进打开了窗口。 ”彭教授说道。
这篇综述首先对微生物中发现的 CRISPR-Cas 系统进行了简要概述。在天然形式下，CRISPR-Cas 系统是细菌抵抗病/噬菌体的防御工具。当细菌在病攻击中幸存下来时，它会以 CRISPR 序列的形式存储一些病 DNA。如果相同的病再次出现，细菌会根据存储为记忆的 CRISPR 序列产生“引导 RNA”分子。这些分子引导 Cas 蛋白，其作用就像分子剪刀一样，切割并中和目标病 DNA。随着时间的推移，科学家们找到了利用这些分子机制作为精确基因编辑工具包的方法。
在随后的章节中，研究小组总结了用于编辑几种益生菌基因的关键 CRISPR-Cas 系统。这些包括乳酸菌、酵母、芽孢杆菌等。随后，他们重点介绍了通过基于 CRISPR 的系统进行基因改造的益生菌治疗应用的最新进展。“摄入益生菌已逐渐被证明是预防或减轻人类疾病的有效策略。在评估的各种益生菌中，转基因益生菌菌株可以具有更强或新的特性，并表现出更大的研究和应用价值。”彭教授表示。某些例子包括使用大肠杆菌 ( E. coli ) 消除肠道中的抗生素抗性细菌并保护其免受有害的大肠杆菌 感染，使用酵母治疗炎症性肠病，以及使用枯草芽孢杆菌 来调节肠道菌群。新陈代谢并有助于预防肥胖。
最后，文章提出了基于 CRISPR 的益生菌基因改造尚未解决的问题及其临床应用的障碍，以及解决这些问题的潜在策略。其中一些策略包括开发 CRISPR 工具以减少切割和基因插入过程中的错误、优化编辑系统、使用替代 Cas9 蛋白(例如 dead-Cas9)以及确保工程菌株的稳定性。“毫无疑问，利用工程益生菌促进动物和人类健康产业的发展，未来将面临巨大的机遇和挑战， ”彭教授总结道，他对这个令人兴奋和蓬勃发展的领域即将到来的前景感到乐观。
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