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预计到 2026 年，益生菌补充剂市场规模将达到 71 亿美元（约合 451 亿人民币）。实际上，人们对于益生菌的需求已超出肠道健康，并正在向体重管理、压力和免疫等领域扩展。 合成生物学兴起后，通过基因编辑对原有益生菌进行修饰来打造工程益生菌，成为开发下一代益生菌的新手段，且随着工具的发展和技术的进步越来越多样化。 典型的传统益生菌乳酸杆菌和双歧杆菌被开发为改善人类健康的活体诊断和治疗方法。然而，其固有的有益健康特性的机制基础仍未完全了解，这可能会减慢功能性食品和制药领域的转化过程。有效的基因组编辑将促进对益生菌生理特性及其与宿主和宿主微生物群相互作用的分子机制的理解，从而进一步促进具有更高稳健性和定制功能的下一代设计益生菌的开发。 双歧杆菌是一种重要的肠道共生菌，也是商业益生菌产品中使用的第二大常见属（仅次于乳酸杆菌， 或以前称为乳酸杆菌的细菌）。然而，双歧杆菌在遗传学上很难研究。与其他模式微生物如大肠杆菌相比，双歧杆菌有更厚的细胞壁、更多的防御系统（如限制和修饰系统），并且通常缺乏可用的分子工具。 CRISPR-Cas 系统天然存在于世界上大约一半的细菌中，多年来一直用于乳制品行业，以增强奶酪和酸奶培养物中的噬菌体抗性。目前，已经为包括乳酸杆菌和梭菌在内的一系列有益菌建立了基于 CRISPR 的编辑工具，但是，CRISPR 介导的编辑在双歧杆菌中的成功应用还有待报道。 近期，在 PANS 上发表了一篇题为 “Genomic and epigenetic landscapes drive CRISPR-based genome editing in Bifidobacterium” 的论文，在这项研究中，研究人员构建了能够对双歧杆菌进行编辑的基于 CRISPR 的编辑工具。
文章的第一作者 Echo Pan 是北卡罗莱纳州立大学的一名博士生。通讯作者为 Rodolphe Barrangou 博士。 个性化的 CRISPR-Cas 系统是必要的实际上，两年前该团队就发表了一篇题为 “Comprehensive Mining and Characterization of CRISPR-Cas Systems in Bifidobacterium” 的论文，对双歧杆菌中 CRISPR-Cas 系统进行全面挖掘和表征。 在 2020 年发表的研究中，研究人员提取了 954 个公共双歧杆菌基因组，并在其中 57％的菌株中鉴定出 CRIPSR-Cas 系统。总共鉴定出以下五个 CRISPR-Cas 亚型：IE，IC，IG，II-A 和 II-C 型。在亚型中，类型 IC 最丰富（23％）。并进一步表征了 CRISPR RNA（crRNA），tracrRNA 和 PAM 序列，为开发用于各种应用的新基因组编辑工具提供了分子基础。 基于此，在最新研究中，研究人员利用内源性 I-G 型 CRISPR-Cas 系统，并采用外源性 CRISPR 碱基编辑器进行乳双歧杆菌的基因组工程，证明基因组和外源性背景都会驱动不同菌株的编辑结果。 具体来说，对 B. animalis subsp. lactis 内源性型 CRISPR-Cas 系统进行重新编程后，得到 25kb 和 27kb 基因缺失结果，并在 tetW 基因发生 500bp 的缺失，成功消除了对四环素的抗性。还通过优化的 CRISPR - 胞嘧啶碱编辑器，实现 C-G 到 T-A 的碱基突变，引入终止密码，使多株双歧杆菌失去对四环素的抗性。
研究结果还表明，B. animalis subsp. lactis 各菌株甲基化模式不同，这可能引起编辑效率在菌株之间的差异，在 Bifidobacterium longum subsp. Infantis 菌株中，也发现类似现象。 有业内人士表示，这一结果提示菌株间的变异会影响基因组编辑的部署，强调了为不同的细菌菌株开发个性化的基于 CRISPR 的基因组工程方法的必要性。 有助于开发下一代工程益生菌Echo Pan 和合著者认为，这项研究中建立的基于 CRISPR 的基因组编辑平台可以在其他难以编辑的双歧杆菌物种 (如 B. bifidum) 中广泛地实现特定的基因敲除突变体的生成。 他们还强调，未来，这可能有助于确定这种多样化和增强重要的益生菌属的功效。 Echo Pan 表示，本文的结果强调了将基因组学和表观遗传学相结合以使双歧杆菌等顽固细菌的基因工程'民主化’的重要性。尽管共享高度同源的基因组，但这些菌株表达不同的表观遗传模式，这导致不同菌株的遗传可及性水平不同。我们预计，异质表观遗传模式也可能有助于不同的益生菌性能，而不仅仅是遗传可及性。
在评论对工业的潜在影响时，Rodolphe Barrangou 博士说道：“这项研究说明了如何将基于 CRISPR 的基因组编辑部署到具有相对有限的分子生物学工具箱的生物体中，从而为非规范属和物种的工程化开辟新途径，开发下一代益生菌。” “此外，这扩大了基因组编辑结果和规模的范围，从精确的单碱基编辑到筛选基因组岛缺失，从而能够设计用于递送生物治疗分子的益生菌。” 实际上，这项工作也是学术界和工业界卓有成效的合作的典型例子。 Echo Pan 曾表示，“作为一名想在毕业后加入生物技术行业的博士生，我有机会与行业利益相关者 IFF（最大的益生菌制造商之一）合作，并促进他们的内部益生菌研究，这对我的职业生涯来说是一次宝贵的经历。” 系 IFF 内部益生菌研究IFF 公司是香精香料行业产品的先行者和主要制造商，其跨界到益生菌领域还要从一个并购项目说起。 2019 年 12 月，IFF 宣布完成对杜邦营养与生物科学（N&B）业务的并购。这一项目使其增加了微生物控制业务，在益生菌、酶、发酵剂、大豆蛋白等成分类别中处于领先地位。 2021 年 8 月，IFF 宣布将其部分微生物控制（Microbial Control）业务出售给 LANXESS（朗盛）公司，交易作价 13 亿美元（约合 84 亿人民币）。此举一出，就有外界声音猜测：IFF 或将更专注于益生菌。 去年年末，也就是并购业务两年后，IFF 健康副总裁 Sebastien Guery 接受媒体采访时表示，IFF 将更加重视会影响肠道、免疫和代谢健康的产品，益生菌将是公司关注的重中之重。为了加快开发周期，还将利用人工智能等先进的分析工具。 IFF 也很快采取了行动。今年 4 月，IFF 完成对 Health Wright Products 的收购，该公司是膳食补充剂行业配方和胶囊制造的领导者。此次收购旨在为 IFF 的 Health & Biosciences 益生菌带来配方和成品格式能力。 接下来的 5 月，IFF 又在 Vitafoods Europe 上重点介绍了下一代补充剂的可定制和可持续解决方案，其中与益生菌相关的包括：将 HOWARU® 益生菌与经过科学研究的植物和生物科学成分相结合，打造有益于女性健康的新型益生菌组合；开发新颖的递送形式和剂型，例如令人难以抗拒的益生菌巧克力，帮助优化加工方法以开发替代补充剂。 “欧洲 37% 的益生菌消费者寻求改善整体健康，而不是缓解特定症状，品牌所有者可以通过创新、味道好、配方独特的成分组合和可持续定位的产品在市场上脱颖而出，” IFF 健康膳食补充剂区域营销主管 Vanessa Azevedo 说。 结合以上新研究来看，IFF 正在着重开发下一代工程益生菌，瞄准的目标之一正是双歧杆菌。 |
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