在细菌工程克服的障碍

从胰脏bacteria-made胰岛素,消除使用动物来更好的理解传染病和改善治疗,基因工程细菌重新定义了现代医学。然而,在很多其他领域仍存在严重的局限性,阻碍进展。

一个叫做recombineering几十年的细菌工程技术(recombination-mediated基因工程)允许科学家无疤交换DNA片段的选择区域的细菌基因组。但这种宝贵的和灵活的方法仍未得到充分利用,主要因为它是有限的大肠杆菌——细菌实验室老鼠的世界——和其他几个细菌物种。

现在,一个新的基因工程方法开发的调查人员在哈佛医学院Blavatnik学院和塞格德生物研究中心,匈牙利,承诺改变recombineering和开放的细菌世界未被充分利用的方法。

研究人员已经开发出一种大规模筛选法寻找最有效的蛋白质作为recombineering的引擎。这种蛋白质,称为SSAPs,驻留在噬菌体感染细菌的病毒。

应用新方法,使超过二百SSAPs的筛选,研究人员发现两种蛋白质,似乎特别有前途的。

其中一个翻倍的效率点细菌基因组的编辑。它也提高了十倍的能力执行多路复用编辑——使多个编辑全基因组在同一时间。另一个启用有效recombineering人类病原体铜绿假单胞菌常见的危及生命的原因,院内感染,长期以来一直缺乏有遗传工具。

“Recombineering将是一个非常重要的工具,它将增强我们的DNA写作和编辑功能在未来,这是一个重要的步骤在提高效率和达到的技术,”研究论文的第一作者蒂莫西·沃尼埃在遗传学实验室的研究助理乔治教堂,罗伯特·温斯洛普HMS的遗传学教授。

以前的基因工程方法,包括CRISPR Cas9-based基因编辑,已不适合细菌因为这些方法涉及“剪切和粘贴”的DNA,研究人员说。这是因为,与多细胞生物,细菌缺乏机械修复DNA双链断裂有效和精确,因此DNA切割可以深刻地干扰细菌基因组的稳定性,沃尼埃说。recombineering的优点是,这个工作并不是切断DNA。

相反,recombineering需要偷偷编辑到基因组中细菌繁殖。细菌繁殖分裂的两个。在这个过程中,一个双链的链,环状DNA染色体每个子细胞,以及一个新的第二链生长初期的裂变。recombineering的原材料是短,大约90股DNA是定做的。每个链都是相同的基因组序列,除了编辑链的中心。这些短链陷入第二股子细胞的生长,有效地将编辑纳入他们的基因组。

在许多可能的用途,编辑可能旨在干扰基因以确定其功能,另外,改善产品的生产有价值的细菌。SSAPs调解依恋和适当的位置内的短链增长新子染色体的一半。

Recombineering可能使替代天然细菌-蛋白质的氨基酸用人工关节。除此之外,这样做可以使细菌的使用环境清理石油泄漏或其他污染物,依赖这些人造氨基酸为了生存,也就是说,修改后的细菌很容易湮灭,一旦工作完成,以避免向环境释放转基因微生物的风险,沃尼埃说。

“细菌需要人工氨基酸补充剂为了生存,也就是说它们天生没有人工原料灭亡,”沃尼埃说。

recombineering的版本,称为多元自动化基因工程(法师),将能极大地提升技术的好处。法师的特定优势是能够使多个编辑整个基因组一举。

法师可能导致项目进展需要再造工程的整个代谢途径,遗传学讲师HMS约翰Aach说。Aach补充说,典型的例子是大规模尝试工程师微生物将木材废料转化为液体燃料。

“许多investigator-years努力探索已经取得了巨大的进步,即使他们还没有产生市场竞争的产品,”他说。

这样的努力需要测试很多的组合编辑,Aach说。

“我们发现,使用图书馆的法师DNA序列是一个非常好的方法找到组合优化的途径。”

recombineering最近的后裔,名叫定向进化与随机的基因突变(发散),承诺利益对抗传染病,可能为解决抗生素耐药性开辟新的途径。

通过引入随机突变基因,发散可以加快自然细菌进化。这有助于研究人员快速发现变化,可能出现自然的有害细菌,使他们能够抵抗抗生素治疗,解释了阿尔卑斯山脉Nyerges,研究员在hms遗传学在教堂的实验室,以前在匈牙利科学院的生物学研究中心。

“改善recombineering将允许研究人员更快速测试细菌种类如何获得新抗菌药物的耐药性,帮助研究人员识别少resistance-prone抗生素,“Nyerges说。

Recombineering可能会迎来一个全新的世界将难以预见的应用程序在这个节骨眼上,研究人员说。

“新方法大大提高了我们的能力来修改细菌,”沃尼埃说。到处说:“如果我们能修改一封信过去,新方法类似于编辑的单词在一本书,这样打开了科学想象力,以前不可能的。”

参考

沃尼埃等。(2020)。改善细菌recombineering通过并行化蛋白的发现。PNAS。DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2001588117

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