聪明的工具编辑细菌感染病毒的基因组

CRISPR,诺贝尔奖得主基因编辑技术,将产生深远的影响再次微生物学和医学领域。

CRISPR先锋詹妮弗Doudna和她领导的研究小组长期合作者吉尔班菲尔德开发了一个聪明的工具编辑细菌感染病毒的基因组使用一种罕见的CRISPR称为噬菌体。可以轻松工程师专门设计的噬菌体——长期以来困扰着研究团体——可以帮助研究人员控制微生物没有抗生素或严厉的化学物质,和治疗危险的耐药感染。最近的一篇论文描述了工作发表在微生物学性质。

“噬菌体是一些地球上最丰富多样的生物实体。与之前的方法不同,这种编辑策略不利于噬菌体的巨大的遗传多样性,”第一作者本杰明·阿德勒说,博士后Doudna的实验室。”有很多激动人心的方向,发现就在我们的指尖!”

噬菌体,也简单地称为噬菌体,其遗传物质插入细菌细胞使用注射器一般的设备,然后劫持宿主的蛋白质机械为了繁殖——通常杀死细菌。(他们无害的其他生物,包括我们人类,虽然电子显微镜图像显示,它们看起来就像邪恶的外星飞船)。

CRISPR-Cas是一种免疫防御机制,许多细菌和古生菌使用噬菌体。CRISPR-Cas系统包括短片段互补的RNA噬菌体的基因序列,使微生物识别外来遗传物质已被插入时,和scissor-like中和噬菌体基因的酶切成无害的碎片,后被RNA引导到位。

数千年来,永久的进化之间的战争噬菌体进攻和细菌防守迫使噬菌体专门化。有很多微生物,所以也有很多的噬菌体,每个国家都有独特的适应性。这惊人的多样性使得噬菌体编辑困难,包括CRISPR使它们抵抗多种形式,这就是为什么最常用的系统- CRISPR-Cas9并不为这个应用程序工作。

“噬菌体有许多方法来逃避防御,从anti-CRISPRs只是善于修理自己的DNA,”阿德勒说。”因此,在某种意义上,适应噬菌体基因组中编码使得他们如此擅长操纵微生物完全相同的原因是如此难以开发一个通用的编辑他们的基因组的工具。”

项目领导人Doudna和班菲尔德已经开发出许多CRISPR-based工具一起以来他们第一次合作在2008年CRISPR的早期调查。工作——在劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)时被诺贝尔奖委员会Doudna和她的其他合作者,Emmanuelle贝纳于2020年获得了奖。Doudna和班菲尔德的团队伯克利实验室和加州大学伯克利分校的研究人员正在研究一种罕见的CRISPR的属性称为CRISPR-Cas13(来自细菌通常存在于人类的嘴)当他们发现这个版本的防御系统不利于一个巨大范围的噬菌体。

CRISPR-Cas13 phage-fighting效力的意想不到的使用它,考虑到一些微生物阿德勒解释说。科学家们更加惊讶,因为噬菌体在测试中击败所有感染使用双链DNA,但CRISPR-Cas13系统只有目标和排骨单链RNA病毒。与其他类型的病毒,一些噬菌体基因组dna和一些有RNA-based基因组。然而,所有已知的病毒使用RNA表达的基因。CRISPR-Cas13系统有效地中和九个不同DNA噬菌体感染的菌株大肠杆菌,然而,在基因几乎没有相似之处。

根据作者和噬菌体专家Vivek Mutalik科学家在伯克利实验室的生物科学领域,这些发现表明,CRISPR系统可以抵御不同DNA噬菌体通过针对RNA后从DNA转换前的细菌的酶蛋白的翻译。

接下来,团队证明了系统可用于编辑噬菌体基因组而不是砍他们的防守。

首先,他们的DNA片段组成的噬菌体序列他们想要创建在本地噬菌体序列,并把它们到噬菌体的目标细菌。噬菌体感染DNA-laden微生物时,一小部分内的噬菌体繁殖微生物的DNA整合到其基因组改变原始序列。这一步是一个长期存在的DNA编辑技术称为同源重组。噬菌体的几十年的问题的研究,虽然这一步中,实际的噬菌体基因组编辑,工作很好,隔离和复制的噬菌体序列编辑更多的正常的噬菌体是非常棘手的。

这是CRISPR-Cas13的由来。在第二步中,科学家设计的另一个应变宿主细菌含有CRISPR-Cas13系统正常噬菌体基因组序列的感官和防范。噬菌体在第一步时暴露在第二轮主机,噬菌体与原序列CRISPR防御系统被击败,但少量的编辑噬菌体能够逃避它。他们存活和复制自己。

实验三个不相关的大肠杆菌噬菌体展示了惊人的成功率:99%以上的噬菌体产生的两步过程包含了编辑,从巨大的多基因缺失一直到精确的单个氨基酸的替换。

“在我看来,这项工作在噬菌体工程噬菌体生物学是一个里程碑,“Mutalik说。”噬菌体影响微生物生态学、进化、种群动态、毒性、无缝工程具有深远影响的细菌和噬菌体的基础科学,但也有可能使bioeconomy所有方面的一个真正的区别。除了人类健康,这种噬菌体工程功能将影响从生物制造和农业粮食生产。”

受到他们的初步结果,科学家们正在努力扩大CRISPR系统使用更多类型的噬菌体,从土壤微生物的影响的社区。bet188真人他们也使用它作为一个工具来探索噬菌体基因组内基因奥秘。谁知道其他神奇的工具和技术可以受到微小的细菌和病毒之间的战争的战利品吗?

参考:阿德勒英航,赫斯勒T,水芹BF, et al .广谱CRISPR-Cas13a使高效的噬菌体基因组编辑。Nat Microbiol。2022;7 (12):1967 - 1979。doi:10.1038 / s41564 - 022 - 01258 - x

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