精密微生物编辑解决甲烷排放

2006年,两名科学家——加州大学伯克利分校(UC)教授吉利安班菲尔德和詹妮弗Doudna——遇到了言论自由的咖啡馆喝咖啡,位于校园。这些年来,他们个人的基因组学和微生物学领域的研究贡献,把我们了解生命的功能在我们的星球上。

作为一个集体,他们现在开始冒险的7000万美元的项目创新的基因组学研究所(IGI),加州大学伯克利分校的一部分。合作项目结合了两种尖端技术,开发Doudna和班菲尔德的各自的实验室,解决我们的世界上最伟大的使用最小的居民的挑战。

历史:一个特殊的连接

在2000年代早期,班菲尔德地球,一位著名的科学家,建立新技术在加州大学伯克利分校的样本完整的微生物多样性的自然环境。称为genome-resolved宏基因组测序,这种方法允许科学家寻找微生物基因组直接环境中,而不必文化微生物实验室,这限制了许多“隐藏”的研究物种无法生存的孤立。

在genome-resolved宏基因组测序,科学家们收集样本组成各种不同的微生物群落的DNA是孤立的,分解成短片段,测序。bet188真人然后乱七八糟的DNA片段分析计算机算法,拼凑重叠片段创建长和连续的序列,用来重建完全或几乎完全从微生物基因组中样本。

21世纪初的细菌DNA测序Banfield遇到好奇的东西。之前之间重复的DNA,命名为“定期聚集空间短回文重复”,简称“CRISPR”, DNA序列匹配的DNA病毒,也从相同的样本测序。“我们惊讶地发现,几乎每一个细胞的一种细菌中有一组不同的DNA序列之间相同的CRISPR重复。这是意想不到的,因为密切相关细菌的基因组通常本质上彼此相同的部分基因组,”班菲尔德回忆。

同时在加州大学伯克利分校,Doudna的实验室已经研究RNA干扰(RNAi),一个细胞调控机制,小RNA分子结合信使RNA,蛋白质翻译戛然而止。在阅读文献表明CRISPR RNAi系统可能以类似的方式运作,Banfield谷歌搜索“RNAi”和“加州大学伯克利分校”。Doudna的名字来作为第一个搜索结果。

双方同意见面喝咖啡,经过交换研究指出,共享一种兴奋的可能性RNA-guided系统中存在的细菌。他们致力于追求这行进一步询问。Doudna的实验室专注于的一组酶,称为CRISPR-associated内切酶,或“中科院”蛋白质——比作分子剪刀由于他们创建了DNA的能力。班菲尔德继续探讨细菌对抗病毒的生存之战,以及这如何形状微生物群落。bet188真人

你可能熟悉的故事的展开的下一部分Doudna实验室。协作教授Emmanuelle贝纳拼凑的未知数如何后天免疫系统运作的细菌。研究团队发现双RNA组成的复杂——CRISPR RNA (crRNAs)和trans-activating CRISPR RNA -负责指导Cas9蛋白质在特定网站创建在DNA双链断裂。

2012年6月,Doudna和贝纳发表他们的发现在科学。虽然CRISPR-Cas-mediated基因组编辑已经描述的机制——而不是证明——摘要Doudna说“这是一个非常现实的可能性”描述的机制。在一年之内,CRISPR-Cas9系统工程诱导DNA精确编辑在人类和小鼠细胞。一个新的基因编辑工具诞生了。

Cas-9蛋白系统的三维模型展示CRISPR基因组编辑在分子水平上工作。来源:创新的基因组学研究所,加州大学伯克利分校。

几年,甚至几十年并不是罕见的——经过之前一个新颖的分子工具发现脚作为科学界的建立方法。CRISPR-Cas技术是一个例外。后八年科学纸,贝纳和Doudna获得了2020年诺贝尔化学奖——唯一科学诺贝尔奖过赢了两个女人——CRISPR的发展。在一个伯克利新闻发布会讨论诺贝尔赢,Doudna贡献承认班菲尔德在向她介绍了细菌的免疫系统的“签名CRISPR。”

Doudna回忆说那一刻她知道CRISPR-Cas技术会对科学研究产生重大影响,我们的星球:“它与遗传疾病开始像镰状细胞病:现在我们有了一种潜在的治疗,如果不治疗,成千上万的尚未解决的疾病,”她在一次采访中说188金宝搏备用。“这也可能是一个植物育种者的有力工具。它可以帮助我们研究人类基因组在新的令人兴奋的方式。”

班菲尔德已经取得巨大的进步在她追求开发cultivation-independent测序的微生物的方法。开创性的技术开发实验室,首次出版自然早在2004年,认为平台的肠道微生物研究领域在健康和疾病可能出现,名字只是一个应用程序。2016年,班菲尔德与十几个研究人员发布来自1000多个细菌和古菌的基因组数据使用genome-resolved宏基因组。基因组序列被用来产生一个“大幅扩大”版本的生命之树包括之前的“隐藏”uncultivatable生物。“这是第一个物种三域分类genome-based树将这些uncultivable有机体,它揭示了巨大的范围还鲜为人知的血统,”班菲尔德说。她被公认为世界领先的微生物学家之一,最近赢得了声望2023年范列文虎克勋章她的贡献。

教授吉尔班菲尔德和詹妮弗Doudna。信贷:基冈豪斯,加州大学伯克利分校。

2022年,Doudna和班菲尔德结婚两个小说,复杂的技术从实验室:环境转换测序(ETC-seq)和DNA-editing一体化RNA-guided CRISPR-Cas转座酶(DART)。他们证明了——第一次——这是可以创建目标基因编辑在复杂的微生物微生物学性质。“进步在过去的十年中才显示,不仅在技术上是可行的,直接编辑微生物的基因在一个复杂的社会,但这样做会开辟新的途径来解决大,现实世界的问题,”Doudna说。“这对我来说是另一个令人瞠目结舌的时刻。”

一个新的前沿——精密微生物编辑——出生,和一个大胆的想法,大胆的项目。

这个项目

“工程微生物CRISPR改善我们的气候和健康”是一个IGI项目共同Doudna和班菲尔德,进行与合作者在加州大学戴维斯分校和加州大学旧金山,最近获得了7000万美元的资金来自哪里TED大胆的项目。

在接下来的七年,专家的团队打算开发和应用精密微生物编辑的需要解决两个关键领域联系在一起的一个根源,problem-causing微生物;这些都是儿童哮喘和农业甲烷排放。研究人员希望能发现新的微生物编辑和交付工具,测试新的基因组工程在复杂的系统策略,开展临床和田间试验证明精密微生物编辑的安全性和有效性。

188金宝搏备用有幸见到几个关键球员从IGI和加州大学戴维斯分校通过一系列的采访。对于本文的目的,我们专注于项目的气候变化的影响。这里,阐述了开发一个口头传递基因编辑系统,可以交付给牛微生物。系统将目标和编辑甲烷微生物中发现的基因负责生产,总的结果是一个可访问的,廉价的方法打击全球甲烷排放,因此气候变化。虽然目前一个愿景,实际干预的路线图是雕刻的,建立在集体的一组作品世界领先的科学家。

技术:节和飞镖

的时候2022年微生物学性质出版、本杰明·鲁宾博士是Doudna的实验室的博士后,是论文的第一作者。现在,他是一个助理研究员和IGI首席研究员,在那里他将支持工具箱用于项目的发展。188金宝搏备用鲁宾和采访布拉德·r·Ringeisen博士IGI的执行主任,了解技术工作和发展的路线图。

莫莉·坎贝尔(MC):你能讨论共享的方法在2022年的论文,以及他们如何将进一步开发这个项目吗?

本杰明·鲁宾(BR):2022年的论文开发的两个主要技术,其中一节,这是一种方法来测量可以在微生物群落和编辑工具。

你可以想象它好像我们洒一道编辑到微生物,并看到它们了。通过这个过程,你开发一个路线图是可编辑的,社区和通过什么机制。这允许您考虑如何编辑一个微生物群落不先把它分解成单个微生物,前一个瓶颈。

做出有针对性的编辑,我们主要使用一个工具叫飞镖,即DNA-editing一体化RNA-guided CRISPR-Cas转座酶,CRISPR-Cas-based编辑系统,我们开发了。我们把这个应用到通过节创建路线图。DART系统是美妙的,因为与传统的CRISPR-Cas系统不同,它所需要的所有机械找到一个特定的微生物在一个社区和改变其DNA所期望的。我们证明了这个系统的使用对人类肠道微生物在实验室里,显示,您可以使用它作为一个方法来编辑一个特定的社区成员,赠送与遗传优势社区的其他成员和增加其丰度。

节搭配飞镖允许研究人员访问和编辑微生物物种难以置信的挑战——甚至不可能——文化在实验室。虽然几年来开发系统,整个过程现在可以运行在一个新的微生物群落在大约两到三周。

主持人:你能讨论工具包的效率?

BR:我们想编辑一个更广泛的生物多样性,而我们要做的比我们目前用更高的效率。你可以打破编辑的水平,使某些结果分为几类。我们操作的类别在0.1 - -1%之间现在编辑效率。在这个级别的效率,你不能做太多改变微生物的功能,但您可以了解更多关于微生物通过一个编辑和探索这如何影响有机体。

还有编辑效率在1 - 10%之间,这开始让你添加一个编辑和更改一个社区的功能。我们希望达成编辑效率在10 - 100%之间。在这个级别,您可以删除某些功能有不利影响或改变功能微生物群落。我认为最大的障碍是能够得到较高的编辑效率,并且能够做更多的微生物。

布拉德·r·Ringeisen (BRR):不管编辑效率,重要的是编辑本身可以控制。如果效率低于预期,正确的工具可以提高其效果,增加了大量的微生物携带编辑,他们占更大比例的总体微生物群落。

电镀细菌培养的生物群系实验室创新基因组学研究所。来源:创新的基因组学研究所,加州大学伯克利分校。

牛肉-牛肉来自排放甲烷的目标:微生物

虽然通常可以互换使用,气候变化和全球变暖并不是同义词;前者是后者的产物。全球变暖描述长期增加地球大气层的温度——这增加了1.1°C自工业革命——这导致了地球的自然气候和天气模式的变化,灾难性的后果。

这个指数温度上升是由于一个增强的温室气体效应——一个强化的天然通过人类活动的温室气体效应。温室气体在大气中吸收热量从地球表面的辐射。这将创建一个总体变暖效应,这一过程对我们的生存至关重要。没有它,地球太冷了,维持生命。但是人类活动导致大气中温室气体的过剩,加剧了温室效应,推动气候变化。甲烷(CH₄)是一种温室气体的一个例子,这是令人难以置信的强大的大气中。

约甲烷排放总量的50 - 65%归因于人类活动,包括石油和天然气生产、农业和畜牧业管理和垃圾填埋场管理。这些被称为人为排放- 35 - 40%的牲畜,他们预计造成的指数上升在未来几年。

主持人:气候项目的组件的最终目标是创建一个目标产甲烷微生物基因在牛的基因编辑系统,最终减少家畜排放的甲烷。你能多谈谈中的微生物和初始步骤的项目?

即:牛肉-牛肉来自排放甲烷目标是微生物,或产甲烷菌,住在牛的瘤胃。一大关注我们团队的工作将了解这些产甲烷菌操作复杂的微生物群落。bet188真人然后,我们希望目标基因或微生物影响微生物的组成和代谢活动关闭甲烷生产的来源。我们的编辑系统目标的几个微生物的代谢环境的产甲烷菌活;每一个个体的微生物可能是一个新的机会为我们改变在总微生物的环境中,创建一个低收入或no-methane肠道微生物组的牛。

BR:一个巨大的第一步将引入微生物实验室,和描述模型版本的微生物,甲烷产量至关重要。下一步是开发编辑和交付工具,,我的意思是微尺度交付,交付编辑工具到目标生物体的能力。

我们需要开发方法在微生物控制编辑一次,这可能涉及编辑增加大量的低效率和发展控制措施以防止编辑分散到环境中。我们会测试所有这些系统在实验室培养的微生物,以确保过程,减少甲烷排放在这种环境下工作。伟大的是加州大学戴维斯分校的研究小组已经表明,可以将直接从生物反应器研究转移到牛——即。,如果操纵生物反应器中的微生物达到一个特定的阐述,我们可以预计在牛相同的结果。这意味着我们有一个直接的途径从实验室转移到一个真实的效果,并迅速。我们正在探索实用的脂质纳米粒子作为交付机制。

在加州大学戴维斯分校,项目包括的首席调查员教授Ermias Kebreab、副院长全球参与农业和环境科学学院和世界粮食中心主任,副教授和微生物学家马蒂亚斯•赫斯。

赫斯将共同开发微生物工具和biocontainment方法与IGI的研究人员在实验室里。他的数据将被传递给Kebreab,将研究到现场进行测试。他们的整体视觉是一天,口服治疗基因编辑可以交付给小牛。通过干预与小牛的微生物在早期阶段,他们希望甲烷产量可能是有限的一生。

Kebreab带来丰富的经验在可持续农业和动物科学团队。IGI项目建立在他的先前的研究证明等食品添加剂海藻可以有效地改变牛微生物,减少甲烷生产。

主持人:你能告诉我们关于你以前的研究利用海藻作为食品添加剂来降低甲烷生产牛?

Ermias Kebreab (EK):我们发表了两个实验探索使用海藻在这种背景下,构建体外研究在澳大利亚。研究小组进行了一项体外研究筛选海藻,他们发现Asparagopsis与产甲烷菌和甲烷扰乱了他们的生产。

复制体外数据来自澳大利亚后,我们进行了第一个研究奶牛,再次复制数据但这次体内。我们不知道我们需要多少的材料包括饮食,于是我们开始小而增加,最终到达食物摄入量的1%。我们发现,这太高了,有问题和适口性的动物不想吃的食物。但研究是一个概念。

然后,我们有很多问题,比如在瘤胃微生物是否会适应随着时间的推移,导致甲烷生产扭转恢复到正常水平。我们进行了一项第二项研究在肉牛的五个月里,我们没有发现不良适应。我们也减少了剂量减半至0.5%,在肉牛相当于每天约50克。我们发现,在这个级别,甲烷产量减少了大约80%。其他机构在澳大利亚已经证明降低高达98%。这项研究在全球范围内正在进行的,我们还测试了其他添加剂,其中大部分还没工作。对我来说,这里的重点是关注降低甲烷生产多种不同的解决方案,而不仅仅是一个。

主持人:这项研究是如何导致了IGI你参与项目吗?

艾德。基莉:当我们使用产烷生物抑制剂如海藻进行我们的研究,我们意识到由此产生的甲烷产量的减少并不是由产烷生物种群下降造成的。相反,它是基因差别引起的对这些负责沼气的产量。这确定了一个机制,我们可能会与外部目标和干预,但这需要工具,使我们学习整个微生物种群和编辑单个微生物的基因。当然,通过这个项目,我们正在与IGI团队开发和测试这些工具。

先前的研究表明,当你管理食品添加剂在生命的开始瘤胃发育完全,然后你停止使用添加剂,减少甲烷产量仍在继续。就像改变瘤胃,这就是我们的想法的基础。这是非常令人兴奋的研究——一个高风险、高回报的项目。

教授Ermias Kebreab。来源:创新的基因组学研究所,加州大学伯克利分校。

我们经常被告知减少甲烷排放我们应该吃更少的肉。Kebreab强调,这个项目应该成功,仍然是这种情况——这不是一个借口在大量吃肉”,因为我们可以。”项目,而认识到人口增长必然意味着对肉类的需求作为蛋白质来源将会继续,但采取行动来抵消一些行业对气候变化的贡献。

和未来的挑战,影响

泰德的大胆的项目提供的7000万美元资金是最大的曾经被授予一个科学项目,也许只是说明如何有效的研究可以在全球范围内的成功。IGI团队感到兴奋和鼓励的识别,虽然承认未来可能的挑战。大部分微生物仍是一个未知领域,围绕食品的监管环境是受到基因编辑是一个很难驾驭的,各国存在大量的变异。这不会是一件容易的事;但突破性的科学。188金宝搏备用问Ringeisen分享项目的他对未来的展望,他设想团队将如何克服不可避免的障碍他们遇到和公众意识将如此重要的原因。