微型CRISPR-Cas12f基因编辑系统：机制与研发：合成生物学专家说

由生物谷、中科院基础医学与肿瘤研究所、梅斯医学联合主办的《2023合成生物学与细胞智能制造大会》将于4月底在杭州隆重举办，大会将共聚前沿领域同行，围绕行业政策标准、前沿科学技术及应用、未来发展趋势及投融资等热点话题进行深入探讨，共促合成生物学技术助力我国医疗材料、生物医药等各领域的全方位发展。

季泉江教授将作为特邀报告嘉宾出席本次大会，为与会听众带来他最新的研究成果分享《微型CRISPR-Cas12f基因编辑系统：机制与研发》。作为合成生物学领域的专家，季泉江教授主要从事Cas核酸酶挖掘、机制、分子进化等研究，致力于开发易于疾病治疗应用的新颖基因编辑系统。近年来，开发了目前具有最小尺寸的CRISPR-AsCas12f1基因编辑系统，为临床基因治疗提供了易于递送的新颖工具；清晰阐明了Cas9蛋白精准切割底物DNA的化学机制，利于Cas9改造与进化；开发完善的人类病原菌CRISPR基因编辑系统，极大简化了病原菌的遗传操作。相应成果发表于Nature Chemical Biology, Nature Catalysis, PNAS等期刊，并申请（或授权）多项发明专利。

在会议筹备期间，生物谷有幸与季教授围绕合成生物学的发展研究展开了探讨。

问题1：从您的个人履历中，了解到您于2009年获得南京大学化学系理学学士学位；2014年获芝加哥大学化学系化学博士学位；2014年-2016年在加州大学伯克利分校化学系从事博士后研究，归国直接选择上科大，并建立课题组自主开发多项全新的微型CRISPR基因编辑系统。从您过往的经历来看，您可以算是从化学“跨界”生物学吗？

季泉江教授：其实不算“跨界”。虽然我毕业于南京大学化学化工学院化学专业，但是毕设课题研究方向是生化结合的，研究内容涉及细胞表面糖的表征分析，逐渐接触了一点生化内容，后面在芝加哥大学化学系博士阶段、伯克利分校博士后阶段的课题研究方向也都是生化结合的。

问题2：请问当时从您个人的角度来说，选到生化结合的课题研究有多少主观巧合？

季泉江教授：我本科毕业后，通过前期调研了解到芝加哥大学何川教授学术研究能力很强，而且对学生也很认真负责，所以我当时义无反顾地就进了何川教授课题组。至于选择从事生化结合的研究的原因，一方面是自己的兴趣使然，另一方面跟导师也有很重要的关系。

问题3：请问您如何培养学生科研工作？

季泉江教授：我刚回上科大的时候，也就是课题组刚建立之初，我会和学生一起在实验室做实验，可以亲自带学生做实验。但后面随着课题组成员壮大，以及我自己上课的教学任务增加，所以，现在基本没有时间亲自带学生做实验。所以，我们课题组一般会让高年级的学生带低年级的学生（做实验），但我对每个学生的课题都非常了解，他们在实验的过程中碰到问题的话，我都会想办法引导学生解决难题的。

提问4：季教授，您做的是合成生物学比较前沿的技术，您在研发剪辑工具的时候可能会存在失败的一些经历，在这个过程当中，如果遇到了怎么做都可能不出结果的时候，请问您是怎么去克服这些困难的？

季泉江教授：如果学生怎么反复实验做都不出结果的话，我觉得首先要分析可能会存在的原因。如果学生在实验操作过程中碰到了问题，然后怎么进行实验，但都没有效果，如果是新生遇到类似的问题，我可能会建议让新生多重复几次关键的步骤，确认是操作系统存在问题还是实验设计的底层逻辑上的一些问题。如果不是新生，学生怎么做都没有效果，我相信实验系统本身应该是有问题的，这时候，我可能会考虑换个类似的系统，来实现实验目的，就不一定要使用原来的实验系统啦。

提问5：在您做金黄色葡萄酒球菌，还有鲍曼不动杆菌里边，分别都建好了质粒系统，还有单碱基编辑技术这些平台，您可以描述一下这些技术的优势吗？

季泉江教授：其实我在回国前研究比较多的就是病原细菌里面的基因编制，我博士阶段做过很多病原细菌的研究。博后我从事CRISPR相关的研究，我当时觉得CRISPR能够非常方便地应用到这些病原细菌里面去，首先因为效率比较高，其次速度比较快。所以，在回国之初，我们课题组大概在2018年之前，就在以往的研究基础上，把这些基因编辑系统都建好了，现在正在致力于新的CRISPR系统的开发——miniCas，但将来要在疾病治疗领域应用，可能我们的研究还需要更往后端走一些。

提问6：目前，咱们国家正在倡导产学研互相有效转化，请问在这方面您有什么分享的内容吗？

季泉江教授：我们在2021年9月份发表的文章，其中报道了我们开发的目前最小的一个基因编辑系统——CRISPR-Cas12f，是迄今发现最小的有编辑活性的Cas蛋白，仅422个氨基酸，比传统的Cas9小一半以上，目前已经申请了专利。由于考虑时机因素，我们现在的工作重点可能还是更倾向于先把技术做得更好。

提问7：合成生物学采用工程学“自下而上”的理念，从系统表征自然界具有催化调控等功能的生物大分子，使其成为标准化“元件”，到创建“模块”“线路”等全新生物部件与细胞“底盘”，构建有各类用途的人造生命系统。请您结合您已经发表的研究成果，简单阐述一下您是怎样在科研研究中运用这种工程化、标准化、模块化思维推进微型基因编辑系统的研究的！

季泉江教授：我们目前主要还是开发工具，因为我们研究的工具本来就已经是很小的单位。但是碱基编辑系统开发是比较工程化和模块化的，比如说碱基编辑系统，包括一个脱氨酶、一个Cas蛋白等，其实就是各种模块的连接，能够组成一个比较好的碱基编辑系统，比如脱氨酶是插在N端还是C端，还是插在蛋白中间。“工程化、标准化、模块化”的思维在合成生物学细胞层面可能会更适用一些。

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