CRISPR技术的出现彻底颠覆了生命科学领域，为一系列研究提供了有力的工具。那么如何将CRISPR与微生物组研究结合在一起呢？两者的结合又能帮助我们解决哪些科学问题呢？

今天，我们特别关注CRISPR技术与微生物组。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

由诺贝尔奖获得者、CRISPR先驱Jennifer Doudna博士领导的一项研究获得了7000万美元的赞助，该项目计划将基因组编辑技术与宏基因组学相结合，以通过微生物组应对健康和气候挑战。 

TED创新计划（TED’s Audacious Project）是一个合资项目，旨在帮助人们解决当今社会所面临的巨大挑战。该计划将为Doudna的项目提供7000万美元，以期“用CRISPR技术改造微生物群，改善我们的气候和健康”。

Doudna和Jill Banfield博士都是加州大学伯克利分校创新基因组学研究所（Innovative Genomics Institute，IGI）的负责人。Banfield是宏基因组学及群落测序领域的先驱。2006年，在加州大学伯克利分校的“畅所欲言研讨会（Free Speech Movement Café）”上，Banfield让Doudna首次接触到细菌CRISPR领域。Doudna与她的前合作者Emmanuelle Charpentier博士共同收割了2020年诺贝尔化学奖。 

Doudna和Banfield所领导的研究小组开发了一种方法，可以在多物种的群落中添加或修改基因，从而实现微生物的“群落编辑（community editing）”，这种技术既能编辑自然群落（如肠道菌群），又能追踪被编辑过的微生物。2022年1月，该小组在Nature Microbiology上发表了一篇题为“Species- and site-specific genome editing in complex bacterial communities”的文章。文章详细介绍了他们如何在复杂的微生物组中直接且精确地编辑基因，同时他们建立了能够复现天然土壤和婴儿肠道微生物组的模型系统。

现如今，Doudna和Banfield二人各自关注的CRISPR技术和微生物群落测序技术逐步被结合了起来，旨在将精准的基因组编辑应用到微生物组。研究人员的目标是开发一种精准的微生物组编辑平台，创造一系列能够治疗和预防人类疾病以及减少温室气体排放的新产品。

“我们需要了解微生物组。目前我们对微生物组的认知存在巨大的空白，即便是最简单的微生物组，比如人类婴儿或者其他动物幼崽的微生物组，也未能充分了解。我们真的没搞清楚这些微生物组是如何运作的，” Banfield说道，“我们的目标是使用编辑工具操纵处于微生物群落中的生物体，进而能够深入探索生物体之间是如何相互作用及相互依存的。”

她解释道，这与以往基于纯培养来研究微生物自体生长的方法有所不同。

“我们的第一阶段是探索微生物有什么功能以及这些功能是如何发挥作用的。我们可以用CRISPR-Cas来编辑没有经过纯培养的微生物，” Banfield继续说道，“有了这些工具，我们可以得到一些线索或假设，然后可以在实验室对微生物群落进行探索，最后应用到现实生活中。”

图. Jill Banfield博士（左）和诺贝尔奖得主Jennifer Doudna博士（右）。

推进基因组编辑工程以治疗疾病、提高食品安全，是IGI计划的首要任务。他们将与加州大学的另两个分校——加州大学旧金山分校（UCSF）和加州大学戴维斯分校（UCD）合作。目前，这三个学校的研究人员已经确认，他们将在为期七年的研究计划中探索与健康相关的一些课题。

其中一个课题研究某种炎症化合物是否能成为儿童哮喘的有效治疗靶点。UCSF Benioff微生物医学中心主任的Susan Lynch博士发现了一种由哮喘患儿肠道细菌产生的炎症性化合物。Lynch及其同事先前的研究已经确定了哪种细菌产生这种化合物的浓度最高。

IGI的研究人员计划从两岁以下的儿童中收集粪便样本并广泛地分析，以研究挖掘更多潜在的靶点。IGI的执行董事Brad Ringeisen博士说道，这项研究有望助力除哮喘治疗以外的更多领域。

“我们要探索的东西，与Lynch所研究的分子类似，此外还会关注特定的基因和微生物，但也可能更加广泛。我们正准备扩大目标，寻找与几乎所有炎症疾病相关的潜在靶点。”Ringeisen说。

Ringeisen补充道：“我们本质上关注的是减少炎症反应的方法，希望降低罹患哮喘的可能性。同时，我认为这种潜在靶点也可以应用于其他炎症性疾病，比如心血管疾病，这些疾病也与循环系统中的一些炎症标志物有关。”

他说：“做法是首先对粪便样本进行表征，然后进行小鼠实验，最终基于人体进行研究。”

Banfield指出，在宏基因组表征粪便样本之后，以及开始小鼠实验之前的这段时间里，将会在实验室培养微生物群落，并进行技术测试。

Banfield说：“我们需要在实验室中复现出真实的人类/动物幼崽的微生物组，且要保证这些微生物群落在体外环境中具有稳定性和代表性，这是计划成功的关键条件之一。如此一来，我们可以在这些微生物群落中测试编辑工具、观察编辑后的结果。这样我们就能够知道，相较于以纯培养为前提的编辑操作，CRISPR体系如何在更复杂的微生物群落中运作。进一步，我们可以将CRISPR技术应用到对类器官、小鼠，以及最终的人类或动物的编辑上。”

研究人员希望在项目发起后的第四年将他们的方法扩展到动物幼崽身上，然后再进一步。Ringeisen说，如果研究人员成功地找到靶点，“我们计划在第六、七年开始人体试验。”

图. Brad Ringeisen博士，IGI执行主任

Ringeisen说：“你可以把宏基因组学想象成蓝图或路线图的提供者，然后CRISPR是激光靶向设备，能够进入并改变微生物的表型或特定基因。我们需要将它们结合起来，二者缺一不可。”

气候变化是研究人员准备应对的另一个主要挑战，特别是遏制来自微生物群的温室气体排放。牲畜体内、农业土壤和垃圾填埋场的微生物会释放甲烷和一氧化二氮。比如，肠道微生物产生的气体会使牛打嗝。这通常被认为是甲烷的主要来源。垃圾填埋场、垃圾泻湖和稻田排放的甲烷也同样由其中的微生物产生。 

人体的甲烷排放总量中，有一半以上产自微生物，而目前在全球范围内缺乏可用于处理这些微生物的有效手段。现有手段有抗生素、益生菌，以及肠菌移植。然而，抗生素既能杀死有害细菌，也能杀死有益细菌，益生菌的作用则非常有限。尽管肠菌移植为相关医疗领域带来了希望，但人们仍然对其安全性和接受度表示担忧。

温室气体排放量的15%来自畜牧业。因此，研究人员推断，对畜牧业进行干预是应对气候变化突破口。UCD的研究人员Matthias Hess博士和Ermias Kebreab博士是IGI计划中负责牲畜甲烷排放问题的联合首席研究员，他们的研究旨在通过饮食干预来减少牲畜的温室气体排放。

其中一种干预措施是给牲畜喂食红海藻。它可以降低牛肠道微生物中产甲烷基因的表达，显著减少甲烷的排放。

据报道，全球范围内，牛的数量介于9.426亿头（美国农业部数据）和15亿头（世界动物基金会数据）之间。人们很难为全球的牛提供充足的红海藻。世界所有牲畜中占比最多的就是散养的牧牛，给它们喂食红海藻更加困难。但是，研究人员断定，用CRISPR对小牛进行早期干预可以减少它们的甲烷排放，并且可以做到不落下任何一头牛。

Ringeisen说：“我们准备在幼牛出生时进行干预。在此之前，需要使用CRISPR和宏基因组技术寻找一种稳定的低甲烷微生物组，利用这种微生物组，我们有望减少牛在整个生命活动中的甲烷排放。”

“我们在加州大学Davis分校的合作伙伴发明了新型的饲料补充剂。现在我们正在向他们引荐CRISPR和宏基因组技术，希望能一起提出新的饮食干预策略。我认为这将解决饲料补充剂所无法解决的一大难题。”

图. 参与IGI伯克利微生物组编辑优化项目的Spencer Diamond博士和Brady Cress博士正在进行实验，开发新型的微生物组编辑工具。

IGI研究小组表示，他们将向全世界的研究者分享其采集的数据和开发的工具，并与全球非营利组织合作，以推动科研进展。正在合作的非营利组织包括国际农业研究磋商组织（CGIAR)，该组织构建了一个全球研究伙伴关系。研究人员已经决定向低收入的农民和牧场主推广他们的新技术。

Ringeisen说，IGI的公关小组将努力传播这些新技术，途径之一是用新技术帮助发达国家的公司获利，途径之二是以成本价或更低的价格为发展中国家提供技术。

另外，IGI还有一个特别研究小组。他们关注的是，如何扩大新技术在基因组治疗和干预方面的应用范围，且治疗费用要让人们负担得起，相关研究成果即将发表。Ringeisen说：“我们正在努力探寻一种比较好的技术推广模式，这样就可以帮助到世界上更多的人。”

CRISPR-Cas9技术开发方面存在多年的法律纠纷， IGI研究人员希望能够规避这场激烈的法律斗争。去年，美国专利商标局的专利审判和上诉委员会站在了UC、Emmanuelle Charpentier博士和维也纳大学的反方。他们发布了一项决议，认为Broad研究所在发明针对真核细胞的单RNA CRISPR-Cas9系统方面上具有优先权。

除了法律和后勤问题之外，研究人员还面临一个更基本的挑战。这个挑战，不关乎微生物存在与否，而是要了解它们如何与其他生物群落相互作用。

Banfield承认：“我们确实不知道如何解读微生物的基因组，无法预测它们在做什么。尽管100多年的生物化学和遗传学奠基使我们可以预测很多功能，但最微小的、最无法洞察的，是与生物体相互作用的那一组基因，因为它们无法通过纯培养实验来探测。” 

Banfield补充说：“问题的根源，并不在于发现新的生物，因为我们已经克服了那个阶段，而在于去发现它们在群落背景下如何工作，以及如何引发疾病，或者如何对生态系统造成不良的影响，比如排放温室气体。”