谷氨酸棒桿菌是一個重要的氨基酸生產菌株，其氨基酸產量每年超過400萬噸，近年來被廣泛用于生產各種天然和非天然產物，預計到2020年其發酵產品市值可達204億美元。傳統的工業菌株主要依賴長期的理化誘變及篩選獲得，基因組水平實現快速、高效的理性編輯依然是谷氨酸棒桿菌代謝工程改造的難點。
近日，中國科學院天津工業生物技術研究所系統與合成生物技術研究團隊開發了谷氨酸棒桿菌的CRISPR/Cas9基因組編輯工具。該研究通過重構Cas9和gRNA的表達盒，解決了Cas9毒性和gRNA自身轉錄終止子無法終止的問題，在谷氨酸棒桿菌中實現了基于CRISPR/Cas9的高效反向篩選；采用共轉化Cas9和gRNA表達質粒避免了cas9基因的高頻突變，成功實現質粒提供模板的高效基因編輯，敲除和插入效率分別高達60%和62.5%，可簡化操作并節省時間。此外，該研究團隊開發了CRISPR/Cas9和RecT介導的ssDNA重組技術，可以在基因組上精確地引入小范圍突變及單堿基突變，單位點編輯效率超過80%，雙位點編輯效率高達40%。該編輯工具在模式菌株谷氨酸棒桿ATCC 13032等多株谷氨酸棒桿菌中具有普適性，可以顯著提升谷氨酸棒桿菌的代謝工程改造水平，促進其作為工業底盤生產各種生物基化學品和生物燃料。
相關研究成果發表于Microb Cell Fact。該研究得到了國家自然科學基金、中科院重點部署項目、天津市特支計劃項目的資助。