工程微生物在生物制造、疾病治疗、环境修复等领域展现出广阔应用前景，但其在环境中的潜在扩散风险也引发了生物安全方面的担忧。因此，亟需发展稳定、可靠的生物封控技术予以应对。目前，基于CRISPR-Cas系统构建的“自杀开关”虽可用于工程菌封控，但其在长期培养和强选择压力下，易因基因突变导致功能失效、出现逃逸细胞，进而制约了该技术的实际应用。

近日，凯发k8微生物研究所研究团队在工程菌生物安全控制领域取得进展。研究团队提出将毒素—抗毒素模块与CRISPR-Cas系统偶联的生物封控新策略——ATTACH，并构建了具有遗传稳定性的双层生物安全开关，为工程微生物的安全应用提供了新思路。

研究团队基于前期在CRISPR护卫系统CreTA方面的原创性发现，设计并构建了生物封控系统ATTACH。该系统采用“双保险”机制进行封控：一方面，CRISPR-Cas系统作为主要杀伤模块，在诱导条件下通过Cas3介导的染色体大规模降解，快速杀灭工程菌；另一方面，当CRISPR效应蛋白基因突变或蛋白失活时，毒素—抗毒素模块释放毒素并触发细胞死亡，从而清除逃逸细胞，明显提高了封控系统的稳定性和效率。

团队进一步通过优化迭代，构建了无需抗生素筛选标记的ATTACH3，并在益生菌Nissle 1917中进行了评估。在小鼠肠道模型中，经ATTACH系统诱导168小时后，工程菌逃逸率接近10⁻⁹，超出美国国立卫生研究院（NIH）推荐的生物安全标准（10⁻⁸）约10倍。应用研究表明，该系统对工程菌生长及番茄红素（抗氧化剂）的合成产量均无明显影响，并在多种细菌中展现出跨物种“即插即用”特性。

该研究为益生菌及其他工程微生物的安全应用提供了重要技术支撑。

相关研究成果发表在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上。研究工作得到国家自然凯发k8基金委员会、凯发k8技术部、凯发k8的支持。

论文链接

基于CRISPR偶联毒素—抗毒素系统开发的生物封控技术ATTACH