Science：一种开创性的遗传方法——利用CRISPR-Cas9技术，激活细菌隐藏的药物潜能

　　微生物产生各种各样的天然产物，可用作治疗诸如感染或癌症等疾病的有效成分。这些分子的蓝图可以在微生物的基因中找到，但在实验室条件下往往保持不活跃。萨尔州亥姆霍兹药物研究所（HIPS）的一组研究人员现在已经开发出一种开创性的遗传方法，利用天然细菌机制转移遗传物质，并将其用于生产新的活性成分。研究小组在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。

　　

与人类不同，细菌具有相互交换遗传物质的非凡能力。具有深远影响的一个众所周知的例子就是细菌病原体之间抗生素抗性基因的转移。这种基因转移使它们能够迅速适应不同的环境条件，并且是抗生素耐药性传播的主要驱动因素。

HIPS和德国感染研究中心（DZIF）的研究人员现在已经利用这一自然原理，从细菌中扩增和分离出新的生物活性天然产物的遗传蓝图，称为生物合成基因簇。他们的创新方法被称为“ACTIMOT”，可以直接在原生细菌中产生基因簇中编码的天然产物，也可以将它们转移到更合适的微生物生产菌株中，在那里产生新的分子。HIPS是亥姆霍兹感染研究中心（HZI）与萨尔大学合作的一个站点。

ACTIMOT是“Advanced Cas9-mediaTed In vivo MObilization and mulTiplication of BGCs”的缩写，它利用CRISPR-Cas9技术，该技术被称为“基因剪刀”，因此可以对细菌的遗传物质进行精确干预。由于生物合成基因簇在实验室条件下通常不太活跃，因此使用ACTIMOT将它们从基因组中提取出来，并插入到可移动的遗传单元中，然后由细菌本身繁殖。所有这些步骤都是利用分子机制进行的，这种机制也允许细菌在彼此之间转移抗性基因。在许多情况下，这些所谓的质粒上的基因簇的扩增已经足以产生编码的天然产物。如果不成功，形成的质粒可以很容易地转移到另一个生产菌株中，以生产编码的天然产物。作者在本研究中提供了两种方法的成功例子。

“由于各种原因，许多生物合成基因簇在实验室条件下仍然受到抑制，目前揭示它们编码的天然产物的努力只涉及有限数量的基因簇，”HIPS初级研究小组组长、该研究的最后作者Chengzhang Fu说。“我们的方法模仿天然细菌基因转移过程，直接释放和扩增天然细菌细胞内的整个生物合成基因簇，从而获得以前隐藏的天然产物。与现有方法相比，使用这项技术，我们可以更快、更容易地利用细菌的生物合成潜力。”

该团队已经证明了ACTIMOT确实可以带来新的发现：在研究中，研究人员从四种以前未知的天然产物类别中发现了39种新的天然产物。这些发现给了团队信心，ACTIMOT可以显著加速新候选药物的发现。“微生物为我们提供了令人难以置信的生产新化学物质的潜力，我们可以利用这些化学物质，除其他外，开发急需的活性成分，到目前为止，这种微生物宝藏的很大一部分仍然对我们隐藏着。ACTIMOT将帮助我们进一步开发细菌的生物合成潜力，从而显著推进新活性剂的开发。”Rolf Müller说，他是HIPS的部门主管和科学主任，也是DZIF“新抗生素”研究领域的协调员，他也在这项研究中发挥了主导作用。

在目前的研究中，ACTIMOT已被用于链霉菌属的细菌。然而，作者已经计划将其扩展到其他细菌物种，这些细菌物种具有生产未知天然产物的高潜力。除此之外，ACTIMOT还具有在其他领域的应用潜力，包括高价值天然产物的大规模生产，未知基因通路的探索以及天然产物优化起点的确定。