厌氧微生物在人类健康、微生物绿色制造等领域发挥了重要作用。肠道微生物组作为最大的微生物组类群，与宿主共同进化，宿主提供了稳定的微生物定植环境，微生物通过其代谢参与复杂膳食大分子的消化产生各种化合物，对宿主生物学产生深远影响，并在生理上发挥关键作用。研究表明，肠道菌群紊乱与人类的多种疾病密切相关。大多数肠道微生物被归类为Bacteroidetes和Clostridia群，这两者组合占总菌群的80%以上。尽管采用16S rRNA分析和多组学方法等技术已广泛用于研究微生物代谢物与宿主生物学之间的关联，但仍需要更深入地了解代谢物与宿主/微生物相互作用的机制。为了获得这些知识，需要有相关的遗传操纵工具对这些共生菌进行遗传操作。基于这两类细菌大部分已知的基因组序列，研究人员开发了部分Bacteroides spp.和Clostridium spp.基因组编辑工具，以更好地理解这些微生物与宿主的相互作用。

　　青岛能源所一碳生物技术研究中心梭菌生物技术研究组围绕肠道厌氧拟杆菌与梭菌基因组编辑工具的开发，近期在生物技术领域重要综述期刊《Biotechnology Advances》上发表了题为“Advances in synthetic biology toolboxes paving the way for mechanistic understanding and strain engineering of gut commensalBacteroidesspp. andClostridiumspp.” 的综述论文，对肠道拟杆菌与梭菌基因组编辑工具的开发与其应用研究进展进行了系统的总结和展望。李福利研究员为本文的通讯作者，谭扬副研究员为本文的第一作者。

　　针对上述基因组编辑工具，已开发可用于调控基因表达的组成型与诱导型启动元件，并建立了包括基于同源重组、转座子的基因敲除系统和基于噬菌体整合酶的外源DNA定点整合系统。此外，还开发了基于CRISPR-Cas系统的基因组编辑工具。实现Bacteroides spp.和Clostridium spp.快速高效编辑。这些合成生物学工具使我们能深入理解小分子代谢产物介导的微生物-宿主和微生物-微生物相互作用，同时使我们能够更加理性地操作微生物组，以实现生物治疗。在此基础上，作者展望了未来微生物组编辑工具以及合成生物学改造研究：（1）进一步开发以提高新型基于CRISPR-Cas的基因组编辑工具（如基于CRISPR的碱基编辑和转座子相关的CRISPR-Cas系统）的编辑效率；（2）开发原位编辑微生物菌群编辑工具替代传统依赖于对单个物种进行操作的遗传学方法；（3）B. thetaiotaomicron和C. sporogenes的菌株工程还处于起步阶段。对它们的基因组理解有限，需借助合成生物学工具，研究其基因组基因的功能、表达调控、相互作用网络以及对宿主生物学的影响。这些知识对于设计靶向效应分子、设计传感器和基因回路至关重要。

　　同时，梭菌生物技术研究组在生物技术领域另一重要期刊《Synthetic and Systems Biotechnology》上发表了题为 “Recent progress in engineering Clostridium autoethanogenum to synthesize the biochemicals and biocommodities”综述, 对代谢工程改造自产乙醇梭菌利用合成气合成化学品的研究进行了总结和展望。谭扬副研究员为本文的通讯作者，万赛博士为本文的第一作者。

　　化石燃料的过渡利用已经导致了严重的环境后果，加剧全球变暖并带来进一步的气候变化。面对这些挑战，需要采取多种方法来开发可持续化学品和燃料的替代方案。在这个背景下，微生物生物催化合成过程引起了广泛的关注。例如，乙酸菌能够通过Wood-Ljungdahl途径将CO、CO₂和H₂转化为生物质和多种代谢产物，从而用于大规模发酵，持续利用合成气生产大宗生化产品和生物燃料（如乙酸和乙醇）。自产乙醇梭菌是乙酸菌的代表，是微生物气体发酵的模式生物。尤其，最近该菌株合成生物学工具的开发使我们能够深入理解其特殊生理特征并实现工程化改造。本综述总结了C. autoethanogenum基因组编辑工具的研究进展、自养代谢的特殊能量代谢模型以及代谢工程方面的研究进展，作为一个有广泛前景可持续生产大宗化学品的平台，其工程化改造仍然需要解决以下问题：(1)开发高通量功能基因组学工具研究基因互作网络，从而提供对基因型与表型关系的新认识。（2）利用计算机辅助方法在代谢途径设计和酶工程方面的巨大优势，解决自产乙醇梭菌的代谢工程受到其能量需求的限制。（3）利用近年来合成生物学元件工具的发展进一步优化合成途径的表达和平衡代谢通量，如DNA遗传元件组合库和遗传调控回路的构建。

　　相关研究得到国家重点研发、国家自然科学基金、中国科学院先导专项、山东能源研究院、青岛新能源山东省实验室等项目的支持。（文/图 谭扬）

　　参考文献：

　　Tan Y*, Liang J, Lai MC, Wan S, Luo XZ, Li FL*. 2023. Advances in synthetic biology toolboxes paving the way for mechanistic understanding and strain engineering of gut commensal Bacteroides spp. and Clostridium spp. Biotech Adv 69:108272 https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108272.

　　Wan S, Lai MC, Gao XY, Zhou MX, Li FL, Xia L, Tan Y*. 2024. Recent progress in engineering Clostridium autoethanogenum to synthesize the biochemicals and biocommodities. Synth Syst Biotechnol, 9(1):19-25 https://doi.org/10.1016/j.synbio.2023.12.001.