2023-07-03 09:04:36
基因性狀作為最源頭的靶點創(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?；蚓庉嫾夹g(shù)是面向未來的關(guān)鍵技術(shù)之一，日前我國科學(xué)家在這一方向又建新功。
中國科學(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)，是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的精準(zhǔn)基因編輯技術(shù)。它們在醫(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，將幫助我國在未來的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭中處于有利地位。相關(guān)研究成果27日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《細胞》。
全球來看，美國、日本、印度、歐洲、南美等國家和地區(qū)對于基因編輯技術(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？我國農(nóng)作物基因編輯企業(yè)有哪些？目前發(fā)展進展如何？
利用AI技術(shù)開發(fā)基因編輯新利器
蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，對蛋白質(zhì)進行功能聚類，是理解其參與的生理過程、設(shè)計新型蛋白質(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序列的相似性對蛋白質(zhì)進行聚類分析，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，而且底層專利由國外持有?！备卟氏颊f，“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產(chǎn)權(quán)的新型脫氨酶，以開發(fā)適用于不同應(yīng)用場景的新型堿基編輯工具。”
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，相比于傳統(tǒng)的基于氨基酸一級序列的聚類方法，通過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高效、可靠的新策略。
研究人員基于進一步蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)聚類的結(jié)果，鑒定到全新的45個單鏈胞嘧啶脫氨酶（Sdd）和13個雙鏈胞嘧啶脫氨酶（Ddd），開發(fā)了一系列新型堿基編輯系統(tǒng)，并在動、植物細胞中進行了測試。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。
有評論認為，研究組創(chuàng)新性地運用AI輔助的大規(guī)模蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測，建立起全新的基于三級結(jié)構(gòu)的高通量蛋白聚類方法，實現(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)了一系列具有我國自主知識產(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。
美國首個基因編輯蔬菜已上市
3年前，美國農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)Pairwise公司基因編輯芥菜。近日，該公司在美國餐飲服務(wù)中正式推出一款蔬菜，這是美國首個使用 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)能夠改進綠色蔬菜的營養(yǎng)與口感，且只需要傳統(tǒng)育種方法1/4的時間就能育成?！盤airwise首席商務(wù)官Haven Baker說。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。該團隊開發(fā)了一整套專有系統(tǒng)，并擁有該系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識產(chǎn)權(quán)。
2021 年 2 月，Pairwise在 B 輪融資中籌集了 9000 萬美元；加上 A 輪融資，總?cè)谫Y額達到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)無籽漿果、無核櫻桃和其他產(chǎn)品。該公司的網(wǎng)站稱，無籽黑莓應(yīng)該“在未來幾年內(nèi)”出現(xiàn)在超市，而無核櫻桃可能要到本世紀末才能實現(xiàn)。
Pairwise北卡羅來納州和加利福尼亞州擁有超過 120000 平方英尺的實驗室、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。
2021 年，日本東京公司 Sanatech Seeds 在日本推出了一種經(jīng)過基因編輯的番茄，其中含有大量的 γ-氨基丁酸，即GABA。去年，美國批準(zhǔn)了基因編輯的牛用于肉類生產(chǎn)。明尼蘇達州的 Acceligen 公司通過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)信息庫的統(tǒng)計情況，目前，國內(nèi)外共有植物基因編輯育種企業(yè)共124家，其中國內(nèi)共有50家，占比40.3% ，國外有Calyxt、Benson Hill、Pairwise等行業(yè)翹楚作為行業(yè)標(biāo)桿，國內(nèi)則有舜豐生物、清原農(nóng)冠、隆平高科等企業(yè)走在前列。
同時基因編輯產(chǎn)品和性狀市場競爭激烈。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)研究到高級研發(fā)和接近商業(yè)化等不同產(chǎn)品開發(fā)階段。
我國農(nóng)作物基因編輯企業(yè)有哪些？
▍舜豐生物國內(nèi)首家開展植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化運作的企業(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隊領(lǐng)銜創(chuàng)建，是國內(nèi)首家開展植物基因編輯產(chǎn)業(yè)化運作的企業(yè)，2023年4月，公司拿到了全國首個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，打破了國外對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。
舜豐生物搭建了國際一流的基因編輯工程化研發(fā)平臺、誘變種質(zhì)資源創(chuàng)新平臺、生物育種中試熟化平臺，布局多生態(tài)區(qū)綜合田間試驗平臺；形成“基因編輯+”多技術(shù)融合的創(chuàng)新體系及“主糧+經(jīng)濟作物+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、營養(yǎng)健康”四大管線的系統(tǒng)解決方案；形成了一眾可市場化的超級新產(chǎn)品，帶動作物育種進入精準(zhǔn)調(diào)控時代。
▍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，是國內(nèi)目前已公布的基因編輯企業(yè)種子輪融資的最大項目。齊禾生科基因編輯技術(shù)不斷迭代，1.0DNA靶向切割工具以獨特的挖掘計算方法，已挖掘全新CRISPR-Cas系統(tǒng)，實現(xiàn)基因敲除；2.0堿基編輯技術(shù)已實現(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，其搭建的SEEDIT研發(fā)平臺成果突出，已積累建立了30多個植物的原生質(zhì)體或發(fā)根農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化為手段的瞬時活體編輯效率鑒定體系。
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