了解细菌的弹性和抗生素的目标

旧金山加州大学和斯坦福大学的研究人员进行的第一次全面调查中央基因和蛋白质的细菌生命的关键。这项研究相结合的新变种CRISPR基因编辑技术与自动化的细胞成像,生成新的理解的基本基因网络让细菌适应环境压力,越来越多的抗菌药物。研究也展示了一种实用的方法来识别潜在的新抗生素的作用机制的化合物,研究人员希望能被用来帮助设计更好的药物来对抗日益流行的抗生素耐药性。

复杂生命的最核心的方面,比如细胞DNA复制、繁殖,并使关键蛋白质和膜,都是基于相同的基因和蛋白质中机械简单,单细胞的细菌。但即使在细菌,这些蛋白质如何一起工作生活只是部分理解。在新的研究中,一组由加州大学细胞生物学家卡罗总,博士,和斯坦福大学生物工程师kc黄博士和斯坦利·齐博士利用微生物学方面的专业知识相结合,细胞成像,和基因工程开发一种新的方法来理解细菌的不同之处。

“以前,基因研究最基本的生命基因非常具有挑战性,”格罗斯说,教授的细胞和组织的生物学和微生物学和免疫学是UCSF牙科学院。遗传学家通常由实验了解基因的功能关掉一个基因的细胞,观察会发生什么所谓“击倒”实验中,格罗斯说。“基因研究最基本的问题,然而,是你不能敲出来,细胞就会死亡。”

新的发现,发表在《细胞》杂志上5月26日,2016 -依赖新技术允许研究人员而不是每个感兴趣的基因的产生“击倒”。与敲除的二进制开关,一个可拆卸的实验基本上音量旋钮在每个基因的地方轻轻拒绝多少蛋白质细胞。这种方式,研究人员可以拒绝一个重要基因的活动来检查它的重要性在一个细胞的日常活动,但并不足以完全杀死细胞。

这项被称为CRISPR干扰(CRISPRi),最近开发的气,现在生物工程助理教授和斯坦福大学的化学和系统生物学的工程和医学学校,当他是加州大学系统生物学研究员。气从CRISPR-Cas9 CRISPRi技术是完全不同的技术,越来越多地采用基因工程师作为一个简单的工具来切割和拼接DNA:而不是修改DNA, CRISPRi正是音乐细胞的特定蛋白质的生产。

研究人员使用CRISPRi系统地击倒的生产258年细菌枯草芽孢杆菌至关重要的蛋白质,一次一个基因,然后观察细胞机械在使用高通量这虚弱的状态,进行计算机控制的显微镜由黄光裕的实验室。

对于绝大多数的重要蛋白质,研究人员发现,一个完整的损失产生的蛋白质主要破坏细胞的完整性:变形正常形状或使它们破裂开,破坏细胞分裂或简单地停止增长。相比之下,使用CRISPRi部分剥夺这些蛋白质的细胞产生了微妙的变化,和显示必要的蛋白质可分为两类:那些改变细胞形状通过直接控制细菌细胞壁,调节器,通过间接机制细胞形状的影响。

“这些发现揭示一套新的失效模式可以通过抗生素和演示如何有针对性的细胞已经进化到一些他们的系统来避免这些命运,”黄说,生物工程和微生物学和免疫学教授在斯坦福大学的工程和医学的学校。

不过有时候遗传冗余和是细菌韧性的关键

该小组还受到每一个可拆卸的超过100种不同的压力,如剂量用抗生素或不同养分供应。通过分析近30000种组合的重要蛋白质击倒和环境压力,团队基本特征的重要性不同蛋白质为应对特定环境压力,并观察细菌韧性的关键原则。他们还表明,这项技术有可能被用来识别新抗生素的生物机制的化合物。

测试他们的方法作为药物发现平台,研究人员证明了可拆卸的特定酶的重要构建细菌细胞壁的细胞特别容易受到一种抗生素的作用方式是未知的。这样的实验,研究小组说,强调学习的力量至关重要的基因,他们说的方法可能是一种有效的方式来描述目标的其他抗生素,这是一个主要的瓶颈的药物从实验室转移到诊所。

其他实验表明细菌细胞进化出了许多冗余,如生产更多的关键蛋白质比他们需要的应急供应饥饿的时期。研究人员了解到,细菌也有备份对许多重要蛋白质,故障安全机制,使他们更好地抵御基因突变或药理的攻击。

例如,一个实验集中在三种蛋白质扮演着关键角色在创建细菌细胞的保护外层,一个重要的过程,是由几个有针对性的目前最有效的抗生素。

“我们拒绝了第一个蛋白质全风为零,和细胞好,”格罗斯说。“我们做了同样的事情第二蛋白质和还一切都还算好。我们都不得不打三种蛋白质在细胞死亡。因此,尽管这个过程是必要的,每个蛋白质都没有。”

团队发现了几十双蛋白水平看似无关的功能,提供类似的弹性环境压力,表明细胞有冗余备份系统来处理中断的关键系统。

“在某种程度上,这些实验让我们逆向演化通过观察其结果在每一个生活的过程,”黄说。“我们的研究结果表明,细胞生存困境进行了优化。很有意义,因为通常在细菌进化,营养素会供应不足和环境条件恶劣。因此必需基因和蛋白质会进化,这样细胞存活在稀缺的时期。”