“同时实现基因‘开启·关闭’” KAIST提出生物产业新范式

by Jeong Ilwoong

Published 21 Sep.2025 12:01(KST)

一种能够像电灯开关一样开启和关闭基因的基因剪刀已经被开发出来。开启基因意味着使蛋白质或物质的生产更加活跃，而关闭基因则意味着抑制其生产。迄今为止，国内研究主要集中在“关闭”基因功能上。与此不同的是，本次研究开发了能够自由开启和关闭基因的技术，有望为以合成生物学为基础的生物产业提出新的范式。

KAIST表示，工学生物学大学院（兼任生命科学系）Lee Juyoung 教授与韩国化学研究院 Noh Myunghyun 博士共同领导的研究团队，在大肠杆菌中开发出了可以同时开启和关闭目标基因的“双模式 CRISPR 基因剪刀系统”，并于21日对外公布这一消息。

（自左起）KAIST 生命科学研究所博士 Moon Sooyoung，工学院生物学研究生院（兼任生命科学系）教授 Lee Jooyoung，韩国化学研究院博士 Noh Myeonghyeon，生命科学系研究员 An Nanyoung。KAIST 提供

基因剪刀技术被评价为21世纪生命工学领域最具创新性的工具。不过，现有的基因剪刀主要专注于“关闭（抑制）”功能，在阻断基因表达方面效果显著，但在开启基因功能方面存在较大限制。

此外，为了让基因剪刀发挥作用，需要特定的脱靶间隔邻近基序（protospacer adjacent motif，PAM）识别序列，而现有系统的 PAM 识别范围较窄，可调控的基因范围有限，这一局限也日益凸显。

合成生物学的核心在于像编程生命体基因电路那样进行设计，使其执行所需功能。

在这一过程中，作为合成生物学基础的细菌因其结构简单、增殖速度快，能够生产多种有用物质。利用这些特性，在细菌体内激活基因被视为设计“微生物工厂”的核心技术，其产业价值也被认为十分巨大.

然而，在人类、植物、动物等真核细胞中，基于基因剪刀的激活（开启）技术已取得进展，但在细菌中，由于内部转录调控机制不同，基因“开启”一直难以正常发挥作用。

正因如此，像通过开关控制电灯一样，一方面激活特定基因、另一方面抑制其他基因，从而优化代谢途径的技术显得尤为必要。

此次联合研究团队开发的双模式基因剪刀，克服了既有局限，被打造为能够精确进行基因调控的核心工具。研究团队在原本仅聚焦于“关闭”功能的基因剪刀基础上，将系统升级为能够同时实现开启与关闭。

尤其是在验证双模式基因剪刀性能时发现，当开启基因时，其表达量比原有水平提高了4.9倍；而在关闭时，表达量被抑制至原有的17%，抑制率达到83%。能够同时调控两个不同的基因（开启与关闭）这一点，被认为是联合研究团队所开发基因剪刀的最大优势。

紫罗兰酮的生物合成途径及其在工业应用领域中预期的产量提升效果。KAIST提供

为验证双模式基因剪刀的实用性，联合研究团队还挑战了提高具有抗癌效果的紫色色素“紫罗兰素（violacein）”的产量。在针对大肠杆菌全部基因开展的大规模实验中，研究团队利用双模式基因剪刀筛选出了有利于紫罗兰素生产的有效基因。

例如，实验确认，当开启帮助蛋白质生产的“rluC”基因时，产量提高了2.9倍；当关闭负责细胞分裂与分隔的“ftsA”基因时，产量提高了3.0倍。此外，当同时对这两个基因进行调控（一个开启，一个关闭）时，产生了更大的协同效应，产量增加至约3.7倍，联合研究团队对此予以强调。

Lee 教授表示：“本次研究的意义在于，通过将基因剪刀与合成生物学相结合，提高了微生物生产平台的效率”，“用一个系统就能控制复杂的基因网络，这一成果为新的研究范式提供了方向”。

他还补充称：“联合研究团队开发的技术已在其他细菌种类中验证可行，未来可应用于生物医药品、化学物质以及燃料生产等多个领域。”

另一方面，本次研究由 KAIST 生命科学研究所的 Moon Suyoung 博士后研究员作为第一作者参与完成。研究结果近期已发表于分子生物学领域期刊《Nucleic Acids Research》在线版。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。