《自然-生物技术》新文上线︱童垚俊团队开发单Cas13效应子驱动的SONAR系统实现细菌RNA多模式精准调控

研究背景

      构建高效微生物细胞工厂的核心之一是让生长、前体供应和产物合成之间达到平衡，往往需同时调节多个代谢节点。在细菌中，大量基因以操纵子形式表达，传统DNA靶向CRISPR工具通常难以实现操纵子内单个基因的精细调控。Cas13作为RNA靶向效应蛋白为原核RNA水平调控提供了新思路，但其在细菌中的应用长期受到旁侧切割带来的细胞毒性限制。

结果与展望

      本研究发现Cas13d的切割特异性与其细胞内有效酶活性密切相关。过高的RNase活性容易带来旁侧RNA扰动和宿主生长抑制，而适度降低活性则有助于在靶标敲低和细胞负担之间取得平衡。基于此，团队提出“活性-特异性-毒性”平衡假说，通过截短RNase活性中心附近柔性区域，成功构建了一系列具有梯度活性的减活Cas13d变体，其中部分变体在保持靶标调控能力的同时降低了细胞毒性和旁侧效应。

      进一步，通过在crRNA间隔序列5′端引入连续错配，实现了Cas13d的RNA切割功能与RNA结合功能的部分解耦：完全匹配的crRNA可引导减活Cas13d降解多顺反子mRNA，而含7个5′端错配的PM7crRNA则在基本关闭切割活性的同时保留RNA结合能力，从而实现翻译起始区域的单基因翻译抑制。为进一步扩展功能，团队将细菌翻译起始因子IF3融合至减活Cas13d，构建了atnCas13d-IF3，使其能够在PM7crRNA引导下实现翻译水平激活。由此，团队创制了SONAR (Synthetic Orthogonal Nucleic acid Activation and Repression)系统，仅通过crRNA设计，即可在同一Cas效应子框架下实现转录本降解、翻译抑制和翻译激活三种调控模式。

      在多荧光报告系统中，SONAR能够在同一细胞内分别对三个报告基因实施翻译抑制、翻译激活和转录本降解，验证了其多功能、正交和多路调控能力。团队随后将该系统应用于大肠杆菌番茄红素生物合成途径优化。通过调节碳流分配、前体供应、竞争支路和外源crtEBI合成模块等多个节点，SONAR重塑了代谢通路，在3L发酵罐中，优化菌株的番茄红素产量较出发菌株提高2.39倍。

图 1 | 基于atnCas13d-IF3的多功能原核RNA调控平台SONAR。

      SONAR将Cas13d从单一RNA切割工具拓展为可编程、可组合的RNA层级调控系统，为操纵子内单基因调节、多顺反子转录本降解和翻译水平激活提供了统一解决方案。该平台为细菌合成生物学提供了新的模块化工具，也为微生物细胞工厂的快速优化和动态代谢调控提供了新的技术路径。

作者简介   

      上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢全国重点实验室童垚俊为本文通讯作者。童垚俊课题组围绕微生物合成生物学开展研究，重点开发微生物基因表达调控与基因组编辑技术，并应用于微生物智能细胞工程和代谢工程。其团队博士研究生童圣坤为本文第一作者，助理研究员高耀杰，以及覃宇禧、孙雅倩、宋沐沂、方涛等也对本研究做出重要贡献。

《自然-生物技术》Nature Biotechnology

DOI: 10.1038/s41587-026-03160-x

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Programmable, multiplexed and orthogonal gene control in bacteria with attenuated Cas13d systems

《自然-生物技术》

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