研究人员已在实验室中实现对大肠杆菌进化的可控调控，大幅提升了这种经改造细菌所产生质粒DNA的产量。这一进展意义重大：质粒DNA是各种基因疗法中不可或缺的重要成分，且成本高昂，而这项新技术有望降低此类医疗手段的费用。

质粒DNA天然存在于多种细菌中，其与其他形式DNA不同之处在于我们熟知的双螺旋结构在质粒DNA中呈环形，而非人类及多数其他生物体内的线性结构。

"质粒在实验室内相对容易操作，它性质稳定且便于改造，”该研究论文的通讯作者、北卡罗莱纳州立大学化学与生物分子工程助理教授Nathan Crook表示，“而且它在向细胞导入遗传信息方面表现尤为出色。这些特性的结合，使其在多种基因疗法以及兽医领域使用的多种疫苗中都极具应用价值。”

不过，要获得用于科研和生产的质粒DNA成本颇为高昂。

“质粒DNA主要依靠基因改造细菌生产，每克成本高达十万美元。”Dr. Crook表示，“我们的目标是培育出pDNA生产效率更高的大肠杆菌，而最终成果之显著远超预期。我原本以为能有小幅提升就不错了，没想到效果如此惊人。”

“我们的研究始于一种已被改造的大肠杆菌，这种细菌原本就具有高效生产质粒的能力。”论文的第一作者、北卡罗莱纳州立大学博士后研究员李子丹表示，“我们向这些细菌中引入突变然后逐一进行测试，观察是否有任何突变可以提升质粒DNA的产量。我们筛选出表现良好的单个细菌进一步测试它们在生产多种不同质粒时的表现。”

具体而言，研究人员利用其进化后的大肠杆菌菌株生产了五种质粒DNA。这五种质粒均已得到了充分研究，其中三种是公认较易大规模生产的类型，另外两种则较难量产。

"就产量提升幅度而言，经改造的大肠杆菌生产pAAV质粒时，产量达到了初始菌株的8.7倍。”李子丹表示，“pAAV常用于基因疗法，也是传统上较易大规模生产的质粒DNA类型之一。而即便是提升幅度最低的p15A质粒DNA，产量也提高了1.44倍。p15A属于传统上难以大规模生产的类型，能实现44%的增长，这一成果相当显著。”

“我们相信这一技术有望大幅降低依赖质粒DNA的生物医疗产品的制造成本，并加速相关研究的进程。”Dr. Crook表示，“我们期待与私营部门的合作伙伴携手，探索相关合作机遇。”

论文“Inducible genome-wide mutagenesis for improvement of pDNA production by E. coli”已以开放形式发表在Microbial Cell Factories。该论文的共同作者包括北卡罗莱纳州立大学前博士生Ibrahim Al’Abri、该校生物科学教授Yihui Zhou和她的研究助理George Sun。

李子丹、Nathan Crook 和Ibrahim Al’Abri就本研究开发的大肠杆菌菌株提交了发明披露。

本研究得到了北卡罗莱纳生物技术中心的支持，相关资助编号为2022-TRG-6707。