引言
微生物组领域的研究从一开始就面临着一个障碍：无法在体内编辑微生物基因组。
之前，细菌基因组必须在体外进行修改，然后重新导入宿主体内。而现在，这一障碍可能已被清除，总部位于巴黎的Eligo Bioscience公司研究小组设计出一种噬菌体衍生的载体，可以通过传递碱基编辑器对定植在小鼠肠道内的大肠杆菌进行修改。这也是首次实现在肠道内直接对细菌基因组进行准确、高效的碱基编辑。
这项工作由Eligo的科学家团队完成，由Jesus Fernandez-Rodriguez博士（Eligo技术副总裁）、David Bikard博士（Eligo联合创始人兼巴斯德研究所合成生物学组组长）和Xavier Duportet博士（Eligo首席执行官兼董事长）共同领导。
Bikard指出：“在这项研究发表之前，是否能直接对动物体内的整个目标细菌群进行基因改造仍是一个悬而未决的问题，但现在我们证明，做到这件事并非不可能。”
Eligo公司的研究结合了载体工程和有效载荷改造两方面的研究，可能为新的微生物组基因组编辑治疗模式打开大门。另外，这项研究中还推出了一个全新的微生物组编辑工具箱。
北卡罗来纳州立大学教授、CRISPR期刊主编Rodolphe Barrangou评价道：“这项工作开创了微生物组工程学的新时代，”“这项概念验证研究并不是针对大肠杆菌或小鼠肠道微生物组的，它的应用范围更广，可以用于各种场景。”
加利福尼亚大学伯克利分校创新基因组学研究所微生物组编辑技术首席研究员Brady Cress对此表示赞同。Cress说道：“这是向前发展的一大步，为重写我们的微生物组以获得健康打开了大门。”
调整，而非改变
十年前，Duportet和Bikard共同创立了Eligo，当这两位萌生创立公司的想法时，Duportet还是麻省理工学院的研究生，而Bikard则是洛克菲勒大学Luciano Marraffini博士课题组的博士后研究员。如今，Duportet和Bikard成为一对充满活力的搭档，Duportet负责公司的掌舵，而Bikard则是公司的科学顾问。
Eligo Biosciences的首席执行官Xavier Duportet
Duportet介绍道：“目前的微生物组方法通常基于改变微生物（尤其细菌）的组成。我们的想法则是引入新的细菌种类（如益生菌）来改变平衡或去除其他细菌。”
Bikard指出：“如果你的目的细菌占据某个生态位，完全将其从这一生态位中移除可能非常具有挑战性。除非有其他东西来取代它的位置，否则它还会重新生长。因此，更好的策略是接触它的武装，而非杀死它。”
两个方面
Eligo的新成果并非第一个进行体内微生物组编辑的研究。2023年5月，单买SNIPR Biome公司在Nature Biotechnology发表了一篇题为“具有抗菌CRISPR-Cas的工程噬菌体可选择性地减少小鼠体内大肠杆菌负担”的论文。在这篇论文中，通过对162种噬菌体筛选，研究人员最终挑选了八种噬菌体，这些噬菌体能传递基于CRISPR的基因编辑有效载荷，从而减少小鼠肠道中的大肠杆菌。简言之，SNIPR Biome的研究中，CRISPR负责将大肠杆菌杀死。
早在2014年，Bikard和Marraffini就曾在Nature Biotechnology发文，证实CRISPR-Cas切割细菌染色体能有效杀死细菌。但Bikard表示，第一代基因编辑工具并不是非常高效，即使是在实验室环境中，修改细菌基因组的过程都会导致大多数细菌被杀死，更别提在体内环境下了，如果要维持细菌种群不发生太大变化，第一代CRISPR工具显然不太够用。
Broad研究所David Liu课题组开发的更精确的基因组编辑方法——碱基编辑的出现，使这一问题迎刃而解。Eligo的工作就是将他们在基因组编辑和有效载荷传递方面的知识结合起来，以实现在不改变微生物种群组成的情况下对细菌进行高效编辑。
针对小鼠肠道中的大肠杆菌菌株，Eligo的技术能实现90%以上细菌的目标基因改造，在某些情况下，改造率甚至达到了惊人的99.7%，且这些改造在至少42天内保持稳定。
Barrangou表示：“他们正在设定标准，因为仅仅完成改造是一回事，能够做到如此持久和高效的改造则更为重要，这也为该领域未来的应用创造了条件。”
对Bikard来说，基因编辑的工作并不像载荷递送那么困难。Eligo对噬菌体底盘（来自λ噬菌体）上的蛋白进行了改造，使其能针对特定的细菌菌株。当然，如果进行其它工程改造，这种噬菌体载体也能用来靶向不同的细菌菌株。
Cress认为，这是一个能针对不同细菌的“可重新编程的平台。”但在这项研究中，研究人员使用的是研究最为深入的噬菌体-细菌组合，Cress也指出，如果要将其扩展到其他微生物，就必须开发出针对非模式细菌的高效遗传工具，并深入了解其它我们现在研究相对较少的噬菌体的相关知识。
Duportet指出，该研究的另一项进展是实现了对目标细菌中非复制质粒的相似效率的碱基编辑，这与直接进行细菌基因组编辑相比，不会在动物体内微生物组中留下转基因产物。
前路漫漫
Eligo公司的长期目标是开发相应的疗法，但不一定是针对传染病的疗法。这项研究过后，公司的兴趣将延伸到那些能通过改变微生物组基因而改变致病因素的疗法。
其中一个适用的例子是，向表达毒素的肠道共生大肠杆菌内输送碱基编辑器，使其相关基因突变并失去功能，这可能对结直肠癌的发生起到预防作用。
但前路漫漫，公司目前也面对很多挑战。Cress指出，其中一项挑战是碱基编辑器只需短时传递就能实现基因破坏，但基因插入等其他类型的编辑需要更长的时间（可能涉及CRISPR相关转座酶），因此需要不同的有效载荷递送方法。Cress还表示，“这项研究中实现的碱基改变可能通过自然突变恢复，因此，基因移除可能成为比基因破坏更持久的解决方案。”
这项研究也提出了新的问题，微生物组网络功能研究尚处于起步阶段，研究人员是否有足够的知识来使用这一新工具？
Barrangou指出：“拥有基因组编辑工具很重要，但归根结底，更重要的是要知道编辑的目标是什么以及你想要什么类型的编辑。”
Bikard则认为：“这项工作将有助于回答部分问题，对研究人员来说，该工具提供了直接在动物体内探测基因功能的可能性。”
Duportet希望科学家们能积极使用这一工具，他指出：“我们不可能研究所有东西，也不可能找到所有要编辑的目标。但我们拥有的设计载体和有效载荷的知识可以为他人提供帮助。”
文章来源：
Base Editing Tweaks Mouse Gut Microbiome, in Scientific First
作者/捉蝴蝶的猫
审核/斯特拉
编辑/斯特拉