综述：CRISPR–Cas系统作为精准控制生物膜以保障食品安全的新工具：机制与应用

《Food Research International》：CRISPR–Cas systems as emerging tools for precision biofilm control for food safety: Mechanisms and applications

CRISPR-Cas技术为解决食品加工中顽固生物膜问题提供精准调控工具，涵盖基因编辑、干扰/激活、快速诊断及微生物组工程，但面临递送效率、脱靶效应和监管挑战，需整合AI优化解决方案。

　　微生物生物膜在食品加工环境中始终是一个难以解决的问题，它们对食品安全、卫生以及产品质量构成了重大挑战。生物膜是由多种微生物在食品接触表面形成的结构化社区，这些表面包括不锈钢、塑料、硅胶和橡胶等材料。生物膜的复杂结构和其由胞外聚合物物质（EPS）构成的保护层，使其对消毒剂、机械清除和环境压力具有高度耐受性，这使得它们成为病原体和腐败微生物的储库。生物膜的存在会导致持续的污染、批次失败和严重的经济损失，尤其是在全球农业食品行业，生物膜相关损失估计每年约为3240亿美元，而美国因食源性疾病带来的年度损失约为176亿美元，单次召回的直接成本则平均达到1000万美元。

传统清洁方法和广谱抗菌剂通常难以破坏生物膜的坚韧结构和多物种共存的特性。因此，寻找更有效的生物膜控制手段成为当前研究的重点。近年来，CRISPR-Cas系统因其高度的特异性与可编程性，被广泛认为是提升食品安全的创新工具。CRISPR-Cas技术不仅能够进行基因编辑，还能够用于基因调控，例如CRISPR干扰（CRISPRi）和CRISPR激活（CRISPRa），以及基于Cas13的RNA靶向和基于Cas12的诊断方法。这些技术的出现为食品环境中的生物膜防控提供了新的思路，使其能够更精确地干预微生物的基因网络，从而实现对生物膜的抑制或清除。

在食品加工环境中，CRISPR-Cas系统的应用涵盖了多个方面，包括解析生物膜调控网络、设计精准抗菌策略、工程化微生物群落以及开发先进的生物传感平台。通过这些技术，研究人员可以深入了解生物膜形成的分子机制，并探索如何在不破坏整体微生物生态的情况下，针对性地削弱生物膜的结构和功能。例如，CRISPRi和CRISPRa技术能够在不进行永久基因组改变的情况下，实现对特定基因的临时调控，这对于食品接触表面的生物膜防控尤为重要。此外，CRISPR-Cas系统还能够与人工智能（AI）相结合，为复杂和动态的食品加工环境提供更精准的生物膜控制方案。

生物膜的形成是一个动态且多阶段的过程，包括表面附着、微菌落形成、EPS合成、成熟以及最终的分散。这些过程受到复杂的基因网络调控，这些网络对环境信号、营养物质可用性和压力信号作出反应。因此，要有效控制生物膜，需要对这些关键基因进行精确干预。CRISPR-Cas系统可以被用来靶向这些基因，从而阻断生物膜的形成或促进其分解。同时，随着对生物膜调控机制的深入了解，研究人员能够开发出更加精准的干预策略，如通过多路复用技术抑制冗余的生物膜形成路径，或者激活潜藏的抗生物膜功能。

在实际应用中，CRISPR-Cas系统被用于食品接触表面的生物膜防控。例如，通过设计智能递送系统，如纳米载体、噬菌体喷雾和响应性表面涂层，CRISPR-Cas技术可以有效阻止生物膜的初始附着或EPS的形成。这些递送方式不仅提高了CRISPR-Cas系统的效率，还减少了对环境的干扰，确保了食品加工过程中的卫生安全。此外，CRISPR-Cas系统还能用于食品微生物组的工程化，通过重新编程有益微生物，实现对病原体的竞争性抑制，改善发酵特性，并增强天然噬菌体抗性。

然而，尽管CRISPR-Cas系统在生物膜防控方面展现出巨大的潜力，但其在食品应用中的实际部署仍面临诸多挑战。首先，技术上的限制包括在EPS丰富的生物膜基质中递送效率不足，以及在多物种微生物群落中可能出现的脱靶效应。其次，监管和伦理问题也不容忽视。消费者对基因编辑技术的接受度存在差异，且相关法规尚未完全成熟，这可能导致技术应用受到阻碍。此外，CRISPR-Cas系统的长期安全性、对生态系统的影响以及潜在的生态风险都需要进一步研究和评估。

为了克服这些挑战，研究者们正在探索多种解决方案。例如，通过优化递送系统，提高CRISPR-Cas在复杂生物膜环境中的作用效率。同时，结合人工智能技术，可以更精准地预测和选择最佳的基因靶点，从而提高干预效果并减少不必要的副作用。此外，还需要加强与食品行业的合作，推动相关技术的标准化和规范化，确保其在实际应用中的安全性和有效性。

综上所述，CRISPR-Cas系统在食品加工环境中的生物膜防控方面具有广阔的应用前景。通过精确调控微生物基因网络，这些技术能够实现对病原体的靶向清除，同时保护有益微生物的生态平衡。随着技术的不断进步和相关研究的深入，CRISPR-Cas系统有望成为食品行业实现高效、安全和可持续生物膜管理的重要工具。然而，为了确保其广泛应用，还需要进一步解决技术、法规和伦理方面的挑战，以实现从实验室研究到实际应用的顺利过渡。