تقدم تحرير الجينات: يستخدم باحثو ولاية نورث كارولاينا كريسبر لقلب الطاولات على البكتيريا

راليج - نسميها لغز كريسبر.

تستخدم البكتيريا أنظمة كريسبر-كاس كأنظمة مناعية تكيفية لمقاومة هجمات الأعداء مثل الفيروسات. وقد قام العلماء بتكييف هذه الأنظمة لإزالة أو قطع واستبدال تسلسلات معينة من الشفرة الوراثية في مجموعة متنوعة من الكائنات الحية.

[كريسبر كاس هو نظام مناعي تكيفي موجود في معظم البكتيريا والعتائق، ويمنعها من الإصابة بالعاثيات والفيروسات والعناصر الوراثية الأجنبية الأخرى، وفقًا للمعهد الوطني للصحة.]

لكن في دراسة جديدة، أظهر باحثون من جامعة ولاية كارولينا الشمالية أن الفيروسات المصممة باستخدام نظام كريسبر-كاس يمكنها إحباط الدفاعات البكتيرية وإجراء تغييرات انتقائية على البكتيريا المستهدفة - حتى عندما تكون البكتيريا الأخرى على مقربة.

"الفيروسات جيدة جدًا في توصيل الحمولات. هنا، نستخدم فيروسًا بكتيريًا، وهو عاثية بكتيريا، لتوصيل تقنية كريسبر إلى البكتيريا، وهو أمر مثير للسخرية لأن البكتيريا تستخدم تقنية كريسبر عادةً لقتل الفيروسات. رودولف بارانجو، تود ر. كلاينهامر أستاذ علوم الأغذية والمعالجة الحيوية والتغذية المتميز في ولاية نورث كارولاينا والمؤلف المقابل لورقة تصف البحث المنشور اليوم في وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم. “الفيروس في هذه الحالة يستهدف E. كولاي عن طريق إيصال الحمض النووي إليها. إنه مثل استخدام الفيروس كحقنة."

قام باحثو ولاية نورث كارولاينا بنشر عاثيتين بكتيريتين مختلفتين لتوصيل حمولات CRISPR-Cas للتحرير المستهدف للفيروسات. E. كولاي، أولاً في أنبوب اختبار ثم داخل بيئة تربة اصطناعية تم إنشاؤها لتقليد التربة، وهي بيئة معقدة يمكن أن تؤوي العديد من أنواع البكتيريا.

نجحت كل من العاثيات المهندسة، والتي تسمى T7 و lambda، في العثور على الحمولات ثم تسليمها إلى E. كولاي المضيف على طاولة المختبر. عبرت هذه الحمولات عن جينات بكتيرية مفلورة وتلاعبت بمقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية.

ثم استخدم الباحثون لامدا لتوصيل ما يسمى بمحرر قاعدة السيتوزين إلى الخلية E. كولاي يستضيف. بدلًا من شق كريسبر القاسي أحيانًا لتسلسلات الحمض النووي، قام محرر القاعدة هذا بتغيير حرف واحد فقط من بكتريا قولونية 'الحمض النووي، مما يدل على حساسية ودقة النظام. أدت هذه التغييرات إلى تعطيل بعض الجينات البكتيرية دون إجراء تغييرات أخرى عليها E. كولاي.

"لقد استخدمنا محررًا أساسيًا هنا كنوع من مفاتيح التشغيل والإيقاف القابلة للبرمجة للجينات الموجودة E. كولاي. وباستخدام نظام مثل هذا، يمكننا إجراء تغييرات دقيقة للغاية في حرف واحد على الجينوم دون كسر الحمض النووي المزدوج المرتبط عادة باستهداف كريسبر-كاس. الطالب والمؤلف الرئيسي للدراسة.

وأخيرًا، أظهر الباحثون إمكانية التحرير في الموقع من خلال استخدام نظام بيئي مُصنَّع (EcoFAB) محمّل بوسط تربة اصطناعي من الرمل والكوارتز، إلى جانب السائل، لتقليد بيئة التربة. قام الباحثون أيضًا بتضمين ثلاثة أنواع مختلفة من البكتيريا لاختبار ما إذا كان بإمكان العاثيات تحديد موقعها على وجه التحديد E. كولاي داخل النظام.

وقال بارانجو: "في المختبر، يمكن للعلماء أن يبالغوا في تبسيط الأمور". "من الأفضل أن نبني بيئات نموذجية، لذا بدلاً من الحساء في أنبوب اختبار، أردنا فحص بيئات الحياة الواقعية."

أدخل الباحثون لامدا في النظام البيئي الملفق. وأظهرت كفاءة جيدة في العثور على E. كولاي وإجراء التغييرات الجينية المستهدفة.

وقال ترينت نورثين، العالم في مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة: "ستمكن هذه التكنولوجيا فريقنا وآخرين من اكتشاف الأساس الجيني للتفاعلات البكتيرية الرئيسية مع النباتات والميكروبات الأخرى داخل بيئات مختبرية شديدة التحكم مثل EcoFABs". (مختبر بيركلي) الذي يتعاون مع بارانجو.

"نحن نرى هذا كآلية لمساعدة الميكروبيوم. وقال بارانجو: "يمكننا إجراء تغيير على بكتيريا معينة ويظل باقي الميكروبيوم سالماً". "هذا دليل على المفهوم الذي يمكن استخدامه في أي مجتمع ميكروبي معقد، والذي يمكن أن يترجم إلى صحة نباتية أفضل وصحة أفضل للجهاز الهضمي - بيئات ذات أهمية للغذاء والصحة.

"في نهاية المطاف، تمثل هذه الدراسة الفصل التالي من تسليم كريسبر - استخدام الفيروسات لتقديم آلات كريسبر في بيئة معقدة."

ويخطط الباحثون لتعزيز هذا العمل من خلال اختبار تقنية العاثيات كريسبر مع البكتيريا الأخرى المرتبطة بالتربة. والأهم من ذلك، يوضح هذا كيف يمكن التلاعب بالمجتمعات الميكروبية في التربة للتحكم في تكوين ووظيفة البكتيريا المرتبطة بالنباتات في النظم الإيكولوجية المصنعة لفهم كيفية تعزيز نمو النبات وتعزيز صحة النبات، وهو أمر ذو أهمية واسعة للزراعة المستدامة.

تم توفير التمويل من خلال تحليل المجتمع الميكروبي والتقييم الوظيفي في التربة، وهو مجال تركيز علمي بقيادة مختبر لورانس بيركلي الوطني وبدعم من وزارة الطاقة الأمريكية بموجب العقد رقم. DE-AC02-05CH11231، بجهود تعاونية تشمل جامعة كاليفورنيا في بيركلي ومعهد علم الجينوم المبتكر. من بين المؤلفين المشاركين في الورقة Nethery، باحث ما بعد الدكتوراه السابق في ولاية نورث كارولاينا كلاوديو هيدالغو-كانتابرانا وطالب الدراسات العليا في ولاية نورث كارولاينا أفيري روبرتس.

(ج) NCSU