知耕Tech｜另辟细胞器基因编辑新增量多元布局三大行业应用场景

　　开发出专有的“编辑质粒”方法，突破植物、微生物和动物细胞中细胞器难以实现基因编辑的难题，有望实现以精确的方式设计各种生物的细胞器基因组。

　　1）植物、微生物和动物等生物体的线粒体等细胞器拥有自身独立的基因组，其中含有很多编码重要功能的相关基因。但编辑生物体细胞器尚缺乏高效的手段和工具。常用的 CRISPR/Cas 基因编辑方法由于不能将 Cas 蛋白和 gRNA 高效递送到这些细胞器中而难以实现编辑。

　　2）利用微生物等生物体作为底盘生物，通过基因编辑等合成生物学技术进行理想高价值化合物生产往往涉及众多的实验和生产步骤工艺，而利用对细胞器的基因编辑则能够有效优化实验生产过程的效率问题。

　　NAPIGEN 专注于植物、微生物和动物的细胞器基因组编辑，为农业作物增产，工业生物技术生产高价值化合物，线粒体疾病治疗等方面提供技术解决方案。

　　NAPIGEN 多次获得政府等机构主体的基金赠与支持，已与部分种植、化工、医疗等行业企业建立初步联系，后续还需不断拓展搭建企业上下游合作网络，进一步推进其商业化进程。

　　1） NAPIGEN 另辟蹊径选择细胞器基因组编辑技术作为基因编辑技术商业化的切入点，实现“人无我有”，打造企业特色标签，避免同质化带来的负面影响；

　　3）有意识地将企业技术体系打造成底层技术平台，区别于其他企业，围绕农业、工业、医疗三大行业，布局多元化的终端商业场景。

　　线粒体和叶绿体两种细胞器对为细胞生长创造能量有着重要影响，同时它们对于产生对特定途径和功能至关重要的各种生化分子也至关重要。利用基因组技术对植物、微生物和动物的细胞器进行编辑，在工业生物技术、人类保健、农业粮食增产等生产生活重要应用场景中蕴含着巨大的商业化发展潜能。

　　虽然运用成熟的 CRISPR-Cas 系统能够实现在细胞的核基因组上编辑，但在线粒体和叶绿体细胞器中，由于引导RNA（gRNA）本身无法进入细胞器，因此编辑细胞器基因组 DNA 方面仍面临着巨大的挑战。生物技术公司 NAPIGEN 的创立正是以突破这一难题为出发点，其致力于研究植物、微生物和动物等各种生物的新型基因组工程，开发专有技术以编辑线粒体和叶绿体基因组。

　　NAPIGEN 公司核心团队主要由农业与生物技术领域背景的科学家、企业家和投资者共同建立。其中拥有杜邦先锋18 年农业研发经验的酵母线粒体遗传学博士 Hajime Sakai 担任公司总裁兼首席执行官。联合创始人包括伯克利教授和企业家 Jay Keasling 博士以及农业投资者 Roger Wyse 博士和农业行业资深人士 Ganesh Kishore 博士。

　　近日，该团队完成了 785 万美元的种子轮融资，由 The Grantham Foundation和RA Capital Management 领投。资金被用于将其线粒体基因编辑技术应用于小麦和水稻的杂交种子生产，以及利用其技术开发植物线粒体表达系统。

　　在过去，真核生物中的基因编辑，包括酵母酿酒酵母和藻类莱茵衣藻，都仅限于核基因组。2020 年 1 月，NAPIGEN 科学家发表研究表明，为了克服细胞器基因组编辑的困难，NAPIGEN开发了一种新的细胞器基因组工程方法，旨在利用细胞器中自主复制的质粒——“Edit Plasmid 编辑质粒”来部署 CRISPR 系统，实现编辑质粒能够作为细胞器基因组编辑和写入的有效工具。

　　一个编辑质粒带有一个用于 Cas9 核酸内切酶的细胞器特异性表达盒、一个用于表达指导 RNA、供体 DNA 和一个可选择或可筛选标记的盒。为了达成概念验证，NAPIGEN设计并构建了编辑质粒的原型版本，并基于微粒的转换，将编辑质粒引入酿酒酵母的线粒体和衣藻类的叶绿体中。在实验中，研究团队发现只有当 CRISPR-Cas9 系统存在编辑质粒中时，供体 DNA 才能够被成功插入。此外，该团队还验证了从携带编辑质粒和野生型线粒体基因组的两个菌株杂交后生长了 20 多代的酵母细胞中能够去除引入的编辑质粒。

　　NAPIGEN 科学家表示，在后续的研究中，尚需解决通过 CRISPR/Cas9 提高细胞器基因组编辑的效率；以及使用 CRISPR/Cas9 编辑未能修饰的细胞器 DNA 并改进同质性的问题。

　　目前 NAPIGEN 的商业版图主要集中于以线粒体的基因编辑为核心，为农业作物增产，工业生物技术生产高价值化合物，线粒体疾病治疗等方面提供技术解决方案。

　　■ 农业线粒体和叶绿体等植物细胞器拥有自身独立的基因组，其中含有很多编码呼吸、光合作用和育性相关的基因。对这些植物细胞器中的基因进行人工修饰和编辑能够改良作物性状。

　　使用杂交作物系统，即用于生产杂交种子的具有不同雄性和雌性系的作物，是提高作物生产力的一种行之有效的方法。NAPIGEN 正在使用其技术对细胞器进行基因组编辑，以促进在自花授粉的非杂交作物植物中引入杂交作物系统。具体而言，目标是将细胞质雄性不育（CMS）系统引入谷类植物中。

　　■ 工业生物技术利用酵母等微生物通过基因工程能够生产出用于食物、燃料和药品等领域的理想的工业用化合物，但这一过程往往涉及众多步骤，而利用对线粒体基因编辑技术，则能够将所有反应都发生在线粒体中。其中将编码该途径的所有酶的基因引入到线粒体的DNA 序列当中是实现这一目标的方法之一。

　　NAPIGEN 计划在微生物（如酵母）线粒体中生产高价值化合物。将某一途径的所有酶的基因定位在线粒体中，提供更高的底物和相关酶的局部浓度，获得更高的酶促反应速率，以达成更有效的生产和更高的高价值工业化合物产量。

　　■ 人类健康除了将其细胞器基因编辑应用于农业生产与工业生物技术当中，人类健康也是NAPIGEN 关注的一大技术应用场景。

　　人类的大多数 DNA 存在于细胞核当中，当仍有少量 DNA 存在于线粒体中，线粒体DNA 的突变会导致一些严重疾病，包括但不限于发育障碍和Lebers遗传性视神经病变等线粒体疾病。NAPIGEN 将线粒体基因编辑技术在细胞中的应用作为未来的一大研发方向，旨在为人类线粒体疾病提供潜在的治疗解决方案。

　　此外，商业模式方面，在公司面向农业、工业和医疗三大行业的商业版图下，NAPIGEN 的商业模式以提供细胞器基因编辑合同技术服务为主。选择以技术为生产力的商业模式，使其能够在公司的起步阶段夯实技术实力，积累更多资源要素，利于持续稳定开发公司利益增量，稳步向成长阶段进阶。

　　商业成熟度CML评估模型细胞器基因组学研究严重滞后于核基因组学，在科学研究方面仍存在较大的挑战，也给商业化带来了技术层面的阻碍。例如，由于线粒体难分离、变异大、异质性高、重复序列多等多种因素附加，目前已公开报道的高等植物线 个，导致植物线粒体基因组在建库测序及生物信息分析方面都难点重重。

　　NAPIGEN 是国外围绕细胞器基因编辑技术开展商业化的代表企业，已与 Kaneka Corporation 等化工、农业、医疗企业达成合作关系，逐步推进其商业化模型搭建。在国内能看到舜丰生物、三黍生物、弥生生物等创新企业利用核基因组编辑育种在食品、新材料、医药等应用领域中取得实质性商业化进展，但相对而言，围绕细胞器基因编辑技术的国内商业赛道则仍相对初始，需要更多数据与经验的积累。