番茄红素被誉为“植物中的黄金”，是目前科学验证中最为有效的抗氧化活性物质之一。其功效在于清除人体内导致衰老和疾病的自由基，有助于保护血管，预防心血管疾病等健康问题。传统的番茄红素采用从植物中直接提取、化学合成等方式。然而，直接提取含量低，化学合成可能带来毒性，这两者都不是最佳选择。
近日，（中国）股份有限公司生物工程与食品学院带领的HBUT-China团队利用微生物细胞工厂，结合合成生物学与代谢工程技术，成功开发先进的CRISPR-MAD7（Cas12a）基因编辑系统，改造了谷氨酸棒杆菌，使秸秆生物基有效转化成高附加值产物番茄红素，将“生态包袱”变为“绿色财富”，实现了产品减碳和可持续发展。由于这一创新性的项目，该团队荣获了2023国际遗传工程机器大赛（iGEM）金奖。
据了解， CRISPR-MAD7（Cas12a）基因编辑系统包含两个关键组成部分，一种是行使DNA双链切割功能的Cas蛋白MAD7，而另一种则是具有导向功能的crRNA。简而言之，CRISPR-MAD7（Cas12a）技术就像是一个办公软件上的“查找和替换”工具。科学家可以通过设计特异的RNA分子，使其能够识别并结合到基因组中特定的位置。随后，Cas蛋白MAD7会被引导到这个特定位置，对该位置上的DNA进行切割。科学家还发现细胞可以利用自身的修复机制，对切割的DNA进行修复，从而实现对基因的编辑。
“利用这个系统，我们可以重新设计菌株的遗传路线，改变菌株的生长和生产特性，使微生物细胞更高效地生产目的产物。”该项目学生负责人江益明说道。
为了更好地将这一系统应用于菌株改造，优化系统所需的表达元件是关键步骤。HBUT-China团队的王慧泽、王念念、谢宏森、张倪萌等同学，每周都投入大量时间查阅文献，并与指导老师代俊、姚兰、郑学云等进行深入讨论。经过半年的不懈努力，团队获得了理想的实验结果。
“每一个小的变量的改变就需要从头开始实验，已经记不清有多少次‘重来’，但我们不厌其烦，反复对照，最终功夫不负有心人，我们的编辑系统在单个基因或者大片段敲除上编辑效率非常高，这结果令我们满意。依靠CRISPR-MAD7系统，我们对谷氨酸棒杆菌进行了一系列改造，成功构建了高产的番茄红素菌株。相对于原始菌株，我们的重组菌株产量提高了134倍。”王念念说道。
研发中，团队发现农村地区存在大量未有效利用的秸秆，而且对秸秆的处理方式仍然相对原始。这一发现成为他们项目的关键灵感，促使团队将焦点放在了利用秸秆生物基高产番茄红素上，旨在实现绿色环保和节能经济的效果。
通过实验，他们发现秸秆先后经过酸解和酶解处理，能够有效地产生葡萄糖，这种秸秆葡萄糖可以成为培养谷氨酸棒状杆菌的碳源。
“经过实验对比，相较普通葡萄糖，改造后的菌株在秸秆葡萄糖中培养后，产生了爱发体育的番茄红素。番茄红素可添加到药品、保健品、化妆品中去，有广阔的应用前景。以秸秆为菌群的‘养分’生产高值产品，为环境保护和秸秆处理提供了新思路。”指导老师郑学云说道。
备赛期间，为方便实验，团队中来自理学院的梁天一与计算机学院的韩义自主构思并且设计了一款软件。该软件可识别实验人员上传的菌落培养皿的图片，分类计算出菌落数以及菌落颜色特征，便于成员对实验结果进行分析。
“实验组同学之前多用一些手机APP来计数，但这些APP里常常包含广告，而且并不能实现分类，结果的保存也不方便。”梁天一说道，“在指导老师的帮助下，我们运用数字图像处理、机器学习以及Web开发的相关知识，构建了ColoVision这款软件，历时4个月，经历3个大版本更迭，最终实现了分类计数的功能。”
在法国巴黎的比赛现场，其他国家的参赛选手试用了该软件，并给予了高度评价。“我们希望未来能进一步优化并开源这一工具，让所有参赛队伍都能够收益，这也是在践行iGEM比赛的包容性原则。”梁天一说。
据了解，国际遗传工程机器大赛（iGEM）是当今世界合成生物学领域内规格最高、影响力最大的国际性顶级大学生科技竞赛，每年吸引全球300多所顶尖高校学生队伍约7000余人参赛。
（光明日报全媒体记者张锐 通讯员李雄风 李禾 李明洋）
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