用CRISPR解决奶牛打嗝，缓解全球变暖，诺奖团队获7000万美元资助

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

说出来你可能不信，奶牛打嗝对全球气候变暖贡献巨大。

牛作为一种大型反刍动物，它们的胃部构造很特殊，它们有着4个胃，其中包含的大量微生物在厌氧条件下将它们吃下的草或饲料分解，分解过程中会产生大量的甲烷，这些甲烷通过打嗝的方式进入空气中。全球共有约10亿头牛，它们排放的甲烷占人类排放甲烷总量的14.5%。而 甲烷是一种重要的温室效应气体，其产生温室效应的能力远超二氧化碳。

人们想了许多办法来控制牛排放的甲烷，包括改变它们的食物来源，以及培训低排放甲烷的新品种牛等等。 而近日，TED大胆项目 （TED Audacious Project） ，向 CRISPR 基因编辑先驱、诺奖得主Jennifer Doudna教授创立的创新基因组学研究所 （Innovative Genomics Institute） 提供了7000万美元的资助，以帮助他们找到新的解决方案—— 通过 CRISPR 基因编辑奶牛体内的微生物群，减少其甲烷排放。

Jill Banfield（左）和Jennifer Doudna（右）

创新基因组学研究所（Innovative Genomics Institute） 由Jennifer Doudna教授和Jill Banfield教授共同创建和领导，Jennifer 是 CRISPR 基因编辑技术的开创者之一，并因此获得了2020年诺贝尔化学奖，Jill 则是宏基因组学领域的开创者。

自2013年 CRISPR-Cas9 技术被首次用于人类细胞的基因编辑以来，CRISPR 基因编辑在这十年里得到了快速发展和迭代，并在临床试验中治愈了一些遗传疾病和癌症患者。尽管 CRISPR 技术已经相当成熟，但其在微生物中，尤其是在复杂的微生物群落中的递送和编辑，还没有得到充分研究。

直到2021年12月，Jennifer Doudna教授和Jill Banfield教授在Nature Microbiology期刊发表了题为 ：Species- and site-specific genome editing in complex bacterial communities 的研究论文。 在这篇论文中，他们详细介绍了如何在复杂微生物群中进行直接、精确的基因编辑，包括土壤微生物群和人类肠道微生物群。

在这项研究的基础上， 他们希望将 CRISPR 基因组编辑应用于复杂微生物群，开创一个精准的微生物组基因编辑平台，用于减少温室气体排放，以及预防和治疗人类疾病。

Jill Banfield教授表示， 对于微生物群落的编辑挑战并不在于编辑本身，而在于如何将编辑工具导入群落中足够多的细胞并使其发挥编辑作用。目前通常使用病毒或质粒载体将 CRISPR 系统递送到真核生物细胞，培养皿中的细菌也同样可以。然而，环境中的大多数微生物，以及体内的共生微生物，难以在实验室培养，基于病毒或质粒的递送载体就不适用了，因此，需要开发新的递送工具，还要考虑到微生物组内生物体之间复杂的相互作用。

她还表示，该项目的第一阶段将着眼于递送工具的开发，此外，实验室还致力于将 将更便宜、更快的短读长测序与更彻底的长读长测序技术结合起来，在更大的微生物组背景下表征微生物基因组。

在上述研究基础上，就可以解析复杂微生物群落的代谢图谱和相互作用，从而借助 CRISPR 基因编辑工具改变微生物群落， 创造一个稳定地、低甲烷排放的微生物群，将其应用到奶牛的消化系统中，最好是能在奶牛生命早期以口服的方式递送，改变其肠道微生物群的代谢，进而改变它们的温室气体排放。

此前，有一家名为Mootral的初创公司，也在致力于减少奶牛的甲烷排放，他们采用的方法是开发减少奶牛胃部发酵过程中甲烷排放的饲料补充剂，这种策略似乎可以改变其微生物群并减少甲烷排放，但这种补充剂需要在奶牛的一生中持续使用。考虑到全世界有高达10亿头养殖牛，这种方法价格昂贵，因此可能不切实际，难以规模化。

这项高达7000万美元的资助为期七年， 研究团队希望在第四年或第五年在奶牛上进行测试。然后，在第六年或第七年进行人体实验，把该方法用于预防或治疗人类疾病 ，因为人类的肠道菌群与多种疾病密切相关，包括抑郁症、阿尔茨海默病、2型糖尿病等等。直接编辑肠道菌群可能会开辟出全新的治疗方式，相比目前通过服用益生菌来改变肠道菌群的方法更为有有效。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41564-021-01014-7

https://www.fiercebiotech.com/research/nobel-laureate-jennifer-doudna-and-colleagues-will-use-crispr-curb-methane-emissions-cows

https://www.genengnews.com/topics/omics/igi-wins-70-million-to-study-microbiome-engineering-for-health-climate-challenges/

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