微生物研究者常利用电转法[1]、化学转化法[2]等技术将核酸（nucleic acids，NAs）片段，如小干扰RNA（siRNA）[3]和反义寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）[4]等特异性结合细菌内mRNA，从而靶向调控其特定基因的表达。但这些技术操作复杂，技术门槛高，且需在专业实验室内完成，限制了其在疾病防控、基因功能研究等领域中的应用。此外，以上技术对在很多细菌内导入核酸并不通用。
2025年2月，进化所王国庆教授联合食品学院林洪教授团队在Small杂志发表题为“Streamlining Bacterial Gene Regulation via Nucleic Acid Delivery with Gold Nanoclusters”的研究论文。本研究以小尺寸金纳米簇（AuNCs，约2 nm）为载体，将siRNA和ASO成功导入革兰氏阳性菌和阴性菌内，实现其基因的靶向调控（图1），效率高达~70%。
图1. 基于金纳米簇的细菌内导入核酸进行基因调控的通用方法示意图。
首先，通过琼脂糖电泳实验证明了AuNCs可实现对NA的负载（图2a）；并利用荧光共定位成像和元素成像分析了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）对NA/PAuNCs复合物的内化情况。结果证明，NA/PAuNCs复合物可被MRSA内化至菌体内（图2b-c）。之后通过流式细胞仪优化了PAuNCs负载NA进入MRSA的最佳浓度和最佳递送时间（图2d-e）。
图2. PAuNCs对NA的负载和递送条件的优化。（a）PAuNCs对NA的负载能力。（b）NA/PAuNCs内化到MRSA中的荧光共定位。（c）MRSA的TEM成像和元素成像。（d）PAuNCs浓度的优化。（e）递送时间的优化。
研究进一步利用RT-qPCR解析了其对耐药基因mecA的调控效果，发现siRNA和ASO的敲降效率均高达约70%（图3a），且处理组MRSA对抗生素甲氧西林的耐药性有了大幅度下降（图3b-c）。故本方法有望在细菌耐药性削弱和疾病防控中发挥作用。利用同样方法，研究还对大肠杆菌和铜绿假单胞菌的靶基因进行了调控，同样取得了较高的敲降效率。
图3. MRSA中mecA基因的转录水平测定和表型表征。（a）MRSA中mecA基因的转录水平。（b）NA/PAuNCs介导的mecA基因沉默诱导的MRSA表型变化。（c）MRSA经过不同处理后在LB琼脂平板上生长情况。
该论文的通讯作者为王国庆教授和玄冠华副教授，共同第一作者为博士生张青松、硕士毕业生冷新怡和彭林。中国海洋大学林洪老师、宁波大学张卫卫老师以及日本北海道大学Hideyuki Mitomo老师和Kuniharu Ijiro老师对本文也有重要贡献。研究由国家自然科学基金等项目资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202411723
参考文献
[1]. Q. Tu, J. Yin, J. Fu, J. Herrmann, Y. Li, Y. Yin, A. F. Stewart, R. Müller, Y. Zhang, Sci. Rep. 2016, 6, 24648.
[2]. A. Asif, H. Mohsin, R. Tanvir, Y. Rehman, Front. Microbiol. 2017, 8, 2169.
[3]. V. Jadhav, A. Vaishnaw, K. Fitzgerald, M. A. Maier, Nat. Biotechnol. 2024, 42, 394-405.
[4]. G. Kher, S. Trehan, A. Misra, In Challenges in Delivery of Therapeutic Genomics and Proteomics, Elsevier: London, 2011, 325-386.
