2024年12月11日，华南理工大学与美国国家可再生能源实验室的学者联合在《Cell Systems》期刊上在线发表了题为Tailoring Microbial Fitness Through Computational Steering and CRISPRi-Driven Robustness Regulation的突破性进展，成功开发了一种基于集群建模与CRISPR干扰（CRISPRi）的新型微生物控制策略。该研究为基因改造微生物的安全管理提供了强有力的解决方案，在合成生物学、生态保护和生物工程安全性提升方面具有重要意义。

基因改造微生物的安全挑战

基因工程推动了合成生物学、农业和环保领域的快速发展，但也带来了潜在的生态风险。基因改造微生物在实验室外部环境中的失控扩散可能对自然生态系统造成不可逆的破坏。传统方法如依赖性基因回路和“致死开关”系统，虽然在理论上能够限制微生物生长，但在实际应用中，微生物经常通过基因突变或适应性进化规避这些机制，形成“逃逸体”。

突破传统的设计思路

      为了克服上述局限性，华南理工大学生物科学与工程学院熊伟教授团队提出了一种全新的代谢稳健性调控方法。利用计算建模工具，预测并锁定了微生物核心代谢网络中的关键靶点，这些靶点对代谢网络的稳健性具有显著影响。通过CRISPR干扰技术，研究团队能够在实验中精准调控这些基因的表达，定量控制微生物适应度，进而抑制微生物的生长。

      1.计算建模精准锁定靶点：研究团队开发了一个基于“稳健性预测”（Ensemble Modeling for Robustness Prediction, EMRP）的计算框架，通过模拟酶活性波动对代谢网络的影响，筛选出对稳健性最敏感的基因靶点，如大肠杆菌核心代谢网络中的磷酸果糖激酶（pfk）、丙酮酸激酶（pyk）等。

2.CRISPRi技术提升调控效率：实验中使用了精简版的Cas12m蛋白和经过优化的遗传绝缘体RiboJ，这种组合不仅大幅减少了基因回路的泄漏，还显著增强了多重基因调控的效率与稳定性。

3. 多靶点调控确保安全：研究设计了单基因、多基因联合调控策略，证明通过同时靶向多个代谢稳健性关键节点，可以显著降低微生物逃逸的概率。例如，四重基因靶点（ppc、metE、ptsH和cysH）的CRISPRi设计在实验中表现出极强的生长抑制效果，其逃逸频率远低于美国国立健康研究院（NIH）设定的10⁻⁸标准。

实验验证与突破

实验结果表明，该系统在多种实验室和自然环境模拟条件下均能保持较高的稳定性和安全性：

· 在多种碳源（如葡萄糖、甘油、乙酸）条件下验证，调控系统始终有效。

· CRISPRi系统经长达数周的遗传稳定性测试后，仅观察到少量引导RNA（gRNA）突变，没有出现目标基因功能丧失的情况。

  此外，研究团队还通过LuxR-AHL诱导系统开发了一种“关闭式”CRISPRi回路，在无诱导剂条件下，能够有效终止微生物的增殖，进一步提升了逃逸控制能力。

未来应用前景

该研究的成果不仅在安全性上超越了传统设计，还具有良好的可拓展性与应用潜力。研究团队表示，未来将进一步优化CRISPRi系统，探索其在非模式微生物和复杂环境中的应用。潜在应用领域包括：

· 工业生物技术：如更安全的发酵生产工艺。

· 农业生物技术：控制土壤改良微生物的繁殖。

· 环境修复：限制污染降解微生物的扩散。

  该研究由华南理工大学生物科学与工程学院熊伟教授主持，熊伟教授为论文唯一通讯作者，华南理工大学为通讯单位。这项研究不仅展示了代谢稳健性调控的新方法，也为基因改造微生物的设计和安全使用提供了理论和技术支持。研究的原始数据和代码已公开，未来研究团队计划与更多机构合作，推动该技术的拓展与应用。

作者介绍：熊伟，教授，博士生导师，国家海外高层次引进人才。研究领域包括代谢途径的精准解析与量化设计，探索细胞代谢的结构与功能，理解不同生命体的代谢规律，并结合AI和实验方法研究生物合成过程中的热力学、动力学及稳健性，开发新工具箱来优化生物合成过程。研究尤其关注合成生物学在绿色生物制造中的应用，旨在通过设计和构建新型合成途径，应对脱碳和能效挑战，并推动一碳化合物的微生物转化，以减少环境副产品并提高生物量产率和生产效率。此外，研究团队还致力于光合作用的重构，采用合成生物学新方法提升光合作用效率，并通过跨学科手段提高复杂生物大分子的合成能力。熊伟教授相关工作发表在Nature Synthesis、Nature Plants、PNAS、Energy and Environmental Science、Metabolic Engineering等一流专业期刊上，并为Cell、Nature Metabolism、Nature Microbiology、Nature Communications等多个重要期刊审稿。

期刊简介：《Cell Systems》是细胞出版社（Cell Press）旗下高水平子刊，期刊于2015年创刊，旨在推动系统生物学领域的研究和交流，涵盖了多个学科领域，包括生物学、计算机科学、数学、物理学等。期刊的主要目标是发表具有创新性和跨学科性的研究成果，以促进对复杂生物系统的全面理解。该期刊发表的研究涵盖了多个层次的生物学系统，从分子、细胞、组织到整个生物体。同时，也关注生物系统的动态性和调控机制，以及与疾病相关的生物学过程。在中科院分区中，《Cell Systems》位于生物学1区，Top期刊。

论文链接： https://www.cell.com/cell-systems/abstract/S2405-4712(24)00348-X