拟杆菌（Bacteroides）是人类肠道微生物组的基石菌种，广泛参与宿主免疫调节、营养代谢以及微生物间的相互作用，与人体健康密切相关。然而，拟杆菌仍然缺乏高效的大片段遗传操作工具，依赖同源重组的基因编辑方法在拟杆菌中效率低且操作繁琐，制约了针对肠道微生物的功能研究和产业应用。 2026 年 6 月 29 日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称「深圳先进院」）定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所戴磊团队联合原深圳先进院赵维（现上海交通大学）团队在 Cell Systems 上发表题为「Targeted genomic editing of human gut Bacteroides species based on CRISPR-associated transposases」的研究成果。团队基于 CRISPR 相关转座酶开发了新型基因编辑系统 STIB，在人体肠道拟杆菌中实现了高效、精准、不依赖同源重组的基因组编辑。 文章上线截图 图 1. 拟杆菌新型基因编辑工具 STIB 的构建与优化 STIB 系统的工作原理与优势 新型基因编辑系统 STIB 的全称为 ShCAST-based Transient Insertion system for Bacteroides。STIB 系统基于 CRISPR 相关转座酶 Type V-K CAST 系统（ShCAST），与依赖细胞内源同源重组修复能力的传统 CRISPR-Cas 系统不同，STIB 利用 RNA 引导的转座酶复合物，直接将外源 DNA 片段「写入」靶位点。这种机制使其在同源重组效率低的菌株中也有较大的应用潜力。 为提升系统性能，研究团队进行了多项优化：（1）将切刻型归巢内切核酸酶 nAniI 与转座酶 TnsB 融合（HELIX 结构），使质粒共整合率从 99.5% 大幅降至 8.1%；（2）将 TnsC 与 Cas12k 融合表达，将编辑特异性提升至 97% 以上；（3）采用非复制型瞬时编辑载体，无需诱导表达和质粒消除，仅需 4 天即可完成一轮基因插入。两轮连续编辑仅需一周，约为传统方法所需时间的三分之一。 图 2. STIB 系统的全面表征 在多形拟杆菌（B. thetaiotaomicron）的 10 个不同基因组位点中，STIB 系统的编辑效率介于 29% 至 91% 之间。该方法在卵形拟杆菌（B. ovatus）、萨利尔斯拟杆菌（B. salyersiae）、普通拟杆菌（B. vulgatus）等多种拟杆菌中也同样有效。团队还利用 16S rDNA 通用靶点，实现了跨拟杆菌物种的通用编辑。 大片段插入能力是 STIB 系统的另一优势：2.5 kb、5.5 kb 和 8.4 kb 的外源基因片段均实现了超过 85% 的编辑效率。团队进一步将 8.4 kb 的菊粉利用基因簇导入多形拟杆菌基因组，改造后的菌株能够在菊粉培养基中显著生长，在种群中获得生长优势。 图 3. 功能验证与代谢工程应用 在复杂菌群中实现针对特定物种的基因编辑 原位微生物组工程（in situ microbiome engineering）指无需经过传统的「分离培养 → 体外改造」流程，直接在原始复杂菌群环境中对目标微生物进行遗传改造。这一策略绕过了肠道微生物难以体外培养、工程菌回输后定植困难等核心瓶颈，同时为在原生环境中解析微生物功能并实施工程改造开辟了新途径。不过，菌群体系高度复杂，在其中对特定物种实现精准编辑，仍是原位微生物组工程的一项核心挑战。 为验证 STIB 在复杂环境中的编辑能力，研究团队构建了一个由 40 种人源肠道菌组成的合成微生物群落。在这种复杂体系中，STIB 依然实现了高度特异性的基因编辑，并选择性富集了靶标物种：多形拟杆菌的占比从 0.3% 升至 98%，卵形拟杆菌从 0.9% 升至 86%，普通拟杆菌从 0.3% 升至 69%。宏基因组测序确认，所有插入事件均发生在预期靶位点，插入位置精确集中在 PAM 下游 56 至 63 bp 的窗口内。 图 4. 复杂肠道菌群中的物种与位点特异性编辑 综上所述，STIB 系统不依赖同源重组，兼容大片段插入，操作流程简便高效，作为适用于多种拟杆菌的通用型基因组插入工具，它为非模式肠道微生物的功能研究与改造提供了关键的合成生物学技术。该技术在复杂肠道微生物群落中展现出的精准编辑能力，为原位微生物组工程这一前沿研究领域提供了重要的概念性验证，未来有望发展为微生物组因果机制解析与理性设计的通用使能平台，加速下一代活体生物治疗药物的开发。 深圳先进院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所戴磊研究员和原深圳先进院赵维研究员（现上海交通大学）为本文共同通讯作者。深圳先进院博士生胡玉灿、已出站博士后李清梅为论文共同第一作者。复旦大学生命科学学院/中国科学院上海营养与健康研究所赵国屏院士为本研究提供了重要指导；深圳先进院李莹莹、曾钰、郑灵刚、沈俊涛和山东大学高翔教授对本研究的提供了重要支持。深圳先进院为第一完成单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、微生物改造技术全国重点实验室开放课题基金以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。 原文链接： https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(26)00132-8 文章来源：iSynBio爱星博
