2023-07-03 09:04:36
基因性狀作為最源頭的靶點(diǎn)創(chuàng)新,在技術(shù)研發(fā)、新品種創(chuàng)制及行業(yè)突破中起到關(guān)鍵性作用。基因編輯技術(shù)是面向未來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)之一,日前我國(guó)科學(xué)家在這一方向又建新功。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞研究組研發(fā)出一系列新的堿基編輯系統(tǒng),是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精準(zhǔn)基因編輯技術(shù)。它們?cè)卺t(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)方面具有廣泛的應(yīng)用潛力,有望打破堿基編輯底層專利壟斷,將幫助我國(guó)在未來(lái)的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位。相關(guān)研究成果27日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》。
全球來(lái)看,美國(guó)、日本、印度、歐洲、南美等國(guó)家和地區(qū)對(duì)于基因編輯技術(shù)的監(jiān)管已持開放態(tài)度,并且已有基因編輯產(chǎn)品上市。新型堿基編輯工具有何作用?我國(guó)農(nóng)作物基因編輯企業(yè)有哪些?目前發(fā)展進(jìn)展如何?
利用AI技術(shù)開發(fā)基因編輯新利器
蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者,對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行功能聚類,是理解其參與的生理過(guò)程、設(shè)計(jì)新型蛋白質(zhì)等的重要手段。高彩霞介紹:“現(xiàn)有的方法主要基于氨基酸一級(jí)序列的相似性對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行聚類分析,并以此推斷其功能和演化關(guān)系。然而,蛋白質(zhì)功能由其三維空間結(jié)構(gòu)所決定,開發(fā)基于三維結(jié)構(gòu)的高通量蛋白質(zhì)聚類方法,將為蛋白質(zhì)功能研究提供更直接、可靠的手段,并推動(dòng)未知蛋白質(zhì)的功能挖掘?!?/p>
“現(xiàn)有的堿基編輯系統(tǒng)在蛋白質(zhì)研究上有很多局限,而且底層專利由國(guó)外持有?!备卟氏颊f(shuō),“由于脫氨酶是堿基編輯系統(tǒng)的核心元件,因此,我們將研究聚焦于挖掘自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型脫氨酶,以開發(fā)適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的新型堿基編輯工具?!?/p>
圖1:基于AI輔助蛋白結(jié)構(gòu)分類挖掘脫氨酶并開發(fā)具有新特性的堿基編輯系統(tǒng)。圖源:小柯生命 馮麗妃
研究中,科研人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鞍准系男蛄型葱暂^低且功能多樣時(shí),相比于傳統(tǒng)的基于氨基酸一級(jí)序列的聚類方法,通過(guò)AI輔助的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)聚類能夠得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。因此,該方法能為蛋白質(zhì)功能分析和挖掘提供一個(gè)高效、可靠的新策略。
研究人員基于進(jìn)一步蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)聚類的結(jié)果,鑒定到全新的45個(gè)單鏈胞嘧啶脫氨酶(Sdd)和13個(gè)雙鏈胞嘧啶脫氨酶(Ddd),開發(fā)了一系列新型堿基編輯系統(tǒng),并在動(dòng)、植物細(xì)胞中進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明,這一新型堿基編輯系統(tǒng)具有更高的編輯活性和編輯效率,突破了現(xiàn)有脫氨酶的應(yīng)用瓶頸,展現(xiàn)出新型堿基編輯系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)方面廣泛的應(yīng)用前景。
有評(píng)論認(rèn)為,研究組創(chuàng)新性地運(yùn)用AI輔助的大規(guī)模蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè),建立起全新的基于三級(jí)結(jié)構(gòu)的高通量蛋白聚類方法,實(shí)現(xiàn)了脫氨酶功能結(jié)構(gòu)的深入挖掘,鑒定到完全區(qū)別于已知脫氨工具酶的全新底盤元件,并開發(fā)了一系列具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型堿基編輯工具,為蛋白功能分析、新功能元件挖掘提供了全新策略。
美國(guó)首個(gè)基因編輯蔬菜已上市
3年前,美國(guó)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)Pairwise公司基因編輯芥菜。近日,該公司在美國(guó)餐飲服務(wù)中正式推出一款蔬菜,這是美國(guó)首個(gè)使用 CRISPR 技術(shù)編輯的蔬菜。
這款蔬菜由紫色和綠色的芥菜葉片組成,產(chǎn)品名為“Purple Power Baby Greens Blend”?!按蠖鄶?shù)生菜不是很有營(yíng)養(yǎng),其他類型的蔬菜風(fēng)味不佳。使用 CRISPR,我們已經(jīng)能夠改進(jìn)綠色蔬菜的營(yíng)養(yǎng)與口感,且只需要傳統(tǒng)育種方法1/4的時(shí)間就能育成。”Pairwise首席商務(wù)官Haven Baker說(shuō)。芥菜植物本身具有尖銳、熱辣、刺鼻的味道,經(jīng)基因編輯后,芥菜的辛辣味被去除,作為沙拉或主菜都很合適。
據(jù)悉,Pairwise公司由 CEOTom Adams、首席商務(wù)官Haven Baker以及3位科學(xué)聯(lián)合創(chuàng)始人共同創(chuàng)立,包括基因編輯領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)人物、哈佛醫(yī)學(xué)院病理學(xué)教授Keith Joung,哈佛大學(xué)-麻省理工學(xué)院博德研究所劉如謙,以及麻省理工學(xué)院教授張鋒。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一整套專有系統(tǒng),并擁有該系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
2021 年 2 月,Pairwise在 B 輪融資中籌集了 9000 萬(wàn)美元;加上 A 輪融資,總?cè)谫Y額達(dá)到1.15 億美元。除了綠葉蔬菜,Pairwise 目前正在其品牌 Conscious? Foods 下開發(fā)無(wú)籽漿果、無(wú)核櫻桃和其他產(chǎn)品。該公司的網(wǎng)站稱,無(wú)籽黑莓應(yīng)該“在未來(lái)幾年內(nèi)”出現(xiàn)在超市,而無(wú)核櫻桃可能要到本世紀(jì)末才能實(shí)現(xiàn)。
Pairwise北卡羅來(lái)納州和加利福尼亞州擁有超過(guò) 120000 平方英尺的實(shí)驗(yàn)室、溫室和辦公空間,已成功展示了 16 種作物的編輯,其中玉米、大豆和綠葉蔬菜新品種這3種基因編輯作物已經(jīng)完成了田間試驗(yàn)。
2021 年,日本東京公司 Sanatech Seeds 在日本推出了一種經(jīng)過(guò)基因編輯的番茄,其中含有大量的 γ-氨基丁酸,即GABA。去年,美國(guó)批準(zhǔn)了基因編輯的牛用于肉類生產(chǎn)。明尼蘇達(dá)州的 Acceligen 公司通過(guò)基因編輯讓奶牛擁有短而光滑的被毛,具有這種特性的牛能夠更好地承受高溫。
根據(jù)知耕植物基因編輯育種企業(yè)信息庫(kù)的統(tǒng)計(jì)情況,目前,國(guó)內(nèi)外共有植物基因編輯育種企業(yè)共124家,其中國(guó)內(nèi)共有50家,占比40.3% ,國(guó)外有Calyxt、Benson Hill、Pairwise等行業(yè)翹楚作為行業(yè)標(biāo)桿,國(guó)內(nèi)則有舜豐生物、清原農(nóng)冠、隆平高科等企業(yè)走在前列。
同時(shí)基因編輯產(chǎn)品和性狀市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。據(jù)調(diào)查,全球基因編輯作物產(chǎn)品超500種,這些產(chǎn)品處于從基礎(chǔ)研究到高級(jí)研發(fā)和接近商業(yè)化等不同產(chǎn)品開發(fā)階段。
我國(guó)農(nóng)作物基因編輯企業(yè)有哪些?
▍舜豐生物國(guó)內(nèi)首家開展植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作的企業(yè),擁有基因編輯底層工具CRISPR Cas SF01和CRISPR Cas SF02
山東舜豐生物科技有限公司由朱健康院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜創(chuàng)建,是國(guó)內(nèi)首家開展植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作的企業(yè),2023年4月,公司拿到了全國(guó)首個(gè)植物基因編輯安全證書。公司專注于基因編輯技術(shù)的開發(fā)及其在農(nóng)業(yè)生物育種、基因檢測(cè)醫(yī)療等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。公司擁有基因編輯底層工具CRISPR Cas SF01和CRISPR Cas SF02,打破了國(guó)外對(duì)于基因編輯核心技術(shù)的壟斷,并取得了一系列“卡脖子”技術(shù)的關(guān)鍵性突破。
舜豐生物搭建了國(guó)際一流的基因編輯工程化研發(fā)平臺(tái)、誘變種質(zhì)資源創(chuàng)新平臺(tái)、生物育種中試熟化平臺(tái),布局多生態(tài)區(qū)綜合田間試驗(yàn)平臺(tái);形成“基因編輯+”多技術(shù)融合的創(chuàng)新體系及“主糧+經(jīng)濟(jì)作物+高附加值特色作物”全系列產(chǎn)品矩陣;創(chuàng)制了“高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、綠色高效、加工專用、營(yíng)養(yǎng)健康”四大管線的系統(tǒng)解決方案;形成了一眾可市場(chǎng)化的超級(jí)新產(chǎn)品,帶動(dòng)作物育種進(jìn)入精準(zhǔn)調(diào)控時(shí)代。
▍齊禾生科
致力于基因編輯工具的源頭創(chuàng)新并率先將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)育種北京齊禾生科生物科技有限公司由基因編輯科學(xué)家高彩霞創(chuàng)辦,致力于開發(fā)自主可控的新型基因組編輯技術(shù)。公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Kevin Zhao博士畢業(yè)于哈佛大學(xué),博士生導(dǎo)師為堿基編輯、引導(dǎo)編輯發(fā)明人David Liu。2022年 3 月,公司完成天使輪融資逾億元,是國(guó)內(nèi)目前已公布的基因編輯企業(yè)種子輪融資的最大項(xiàng)目。齊禾生科基因編輯技術(shù)不斷迭代,1.0DNA靶向切割工具以獨(dú)特的挖掘計(jì)算方法,已挖掘全新CRISPR-Cas系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)基因敲除;2.0堿基編輯技術(shù)已實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)堿基替換,防脫靶穩(wěn)定性顯著;2.0+引導(dǎo)編輯工具則精準(zhǔn)小范圍進(jìn)行DNA改造;3.0染色體編輯工具可精準(zhǔn)、定向大片段基因插入工具開發(fā),優(yōu)化多組分模塊顯著提高編輯效率。同時(shí),其搭建的SEEDIT研發(fā)平臺(tái)成果突出,已積累建立了30多個(gè)植物的原生質(zhì)體或發(fā)根農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化為手段的瞬時(shí)活體編輯效率鑒定體系。