Προώθηση της γονιδιακής επεξεργασίας: Οι ερευνητές της πολιτείας NC χρησιμοποιούν το CRISPR για να ανατρέψουν τα βακτήρια

ΡΑΛΙ – Ονομάστε το αίνιγμα CRISPR.

Τα βακτήρια χρησιμοποιούν συστήματα CRISPR-Cas ως προσαρμοστικά ανοσοποιητικά συστήματα για να αντέχουν σε επιθέσεις από εχθρούς όπως ιούς. Αυτά τα συστήματα έχουν προσαρμοστεί από επιστήμονες για να αφαιρούν ή να κόβουν και να αντικαθιστούν συγκεκριμένες αλληλουχίες γενετικού κώδικα σε διάφορους οργανισμούς.

[CRISPR-Cas είναι ένα προσαρμοστικό ανοσοποιητικό σύστημα που υπάρχει στα περισσότερα βακτήρια και τα αρχαία, εμποδίζοντάς τα από τη μόλυνση από φάγους, ιούς και άλλα ξένα γενετικά στοιχεία, σύμφωνα με το Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας.]

Όμως, σε μια νέα μελέτη, ερευνητές του North Carolina State University δείχνουν ότι οι ιοί που έχουν σχεδιαστεί με σύστημα CRISPR-Cas μπορούν να εμποδίσουν την άμυνα των βακτηρίων και να κάνουν επιλεκτικές αλλαγές σε ένα στοχευμένο βακτήριο - ακόμα και όταν άλλα βακτήρια βρίσκονται σε κοντινή απόσταση.

«Οι ιοί είναι πολύ καλοί στην παράδοση ωφέλιμων φορτίων. Εδώ, χρησιμοποιούμε έναν βακτηριακό ιό, έναν βακτηριοφάγο, για να μεταφέρουμε το CRISPR στα βακτήρια, κάτι που είναι ειρωνικό επειδή τα βακτήρια συνήθως χρησιμοποιούν το CRISPR για να σκοτώσουν ιούς», είπε. Rodolphe Barrangou, ο Todd R. Klaenhammer Distinguished Professor of Food, Bioprocessing and Nutrition Sciences στο NC State και αντίστοιχος συγγραφέας μιας εργασίας που περιγράφει την έρευνα που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών. «Ο ιός σε αυτή την περίπτωση στοχεύει Ε. coli με την παράδοση DNA σε αυτό. Είναι σαν να χρησιμοποιείς έναν ιό ως σύριγγα».

Οι ερευνητές του NC State ανέπτυξαν δύο διαφορετικούς μηχανικούς βακτηριοφάγους για να παραδώσουν ωφέλιμα φορτία CRISPR-Cas για στοχευμένη επεξεργασία Ε. coli, πρώτα σε δοκιμαστικό σωλήνα και στη συνέχεια σε περιβάλλον συνθετικού εδάφους που δημιουργήθηκε για να μιμείται το έδαφος – ένα περίπλοκο περιβάλλον που μπορεί να φιλοξενεί πολλούς τύπους βακτηρίων.

Και οι δύο κατασκευασμένοι βακτηριοφάγοι, που ονομάζονται Τ7 και λάμδα, βρήκαν επιτυχώς και στη συνέχεια παρέδωσαν ωφέλιμα φορτία στο Ε. coli οικοδεσπότης στον πάγκο του εργαστηρίου. Αυτά τα ωφέλιμα φορτία εξέφραζαν βακτηριακά φθορίζοντα γονίδια και χειραγωγούσαν την αντοχή του βακτηρίου σε ένα αντιβιοτικό.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το λάμδα για να παραδώσουν ένα λεγόμενο πρόγραμμα επεξεργασίας βάσης κυτοσίνης στο Ε. coli πλήθος. Αντί για την μερικές φορές σκληρή διάσπαση αλληλουχιών DNA από το CRISPR, αυτός ο βασικός επεξεργαστής άλλαξε μόνο ένα γράμμα του Ε. Colis DNA, που δείχνει την ευαισθησία και την ακρίβεια του συστήματος. Αυτές οι αλλαγές αδρανοποίησαν ορισμένα βακτηριακά γονίδια χωρίς να κάνουν άλλες αλλαγές Ε. coli.

«Χρησιμοποιήσαμε έναν βασικό επεξεργαστή εδώ ως ένα είδος προγραμματιζόμενου διακόπτη ενεργοποίησης-απενεργοποίησης για τα γονίδια Ε. coli. Χρησιμοποιώντας ένα σύστημα όπως αυτό, μπορούμε να κάνουμε πολύ ακριβείς αλλαγές ενός γράμματος στο γονιδίωμα χωρίς τη θραύση του DNA διπλού κλώνου που συνήθως σχετίζεται με τη στόχευση CRISPR-Cas», δήλωσε ο Matthew Nethery, πρώην Ph.D. φοιτητής και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Τέλος, οι ερευνητές επέδειξαν επιτόπια επεξεργασία μέσω της χρήσης ενός κατασκευασμένου οικοσυστήματος (EcoFAB) φορτωμένου με ένα συνθετικό μέσο εδάφους από άμμο και χαλαζία, μαζί με υγρό, για να μιμηθεί ένα περιβάλλον εδάφους. Οι ερευνητές συμπεριέλαβαν επίσης τρεις διαφορετικούς τύπους βακτηρίων για να ελέγξουν εάν ο φάγος μπορούσε να εντοπίσει συγκεκριμένα Ε. coli εντός του συστήματος.

«Σε ένα εργαστήριο, οι επιστήμονες μπορούν να υπεραπλοποιήσουν τα πράγματα», είπε ο Barrangou. «Είναι προτιμότερο να μοντελοποιούμε περιβάλλοντα, οπότε αντί για σούπα σε δοκιμαστικό σωλήνα, θέλαμε να εξετάσουμε πραγματικά περιβάλλοντα».

Οι ερευνητές εισήγαγαν λάμδα στο κατασκευασμένο οικοσύστημα. Έδειξε καλή αποτελεσματικότητα στην εύρεση Ε. coli και κάνοντας τις στοχευμένες γενετικές αλλαγές.

«Αυτή η τεχνολογία θα επιτρέψει στην ομάδα μας και σε άλλους να ανακαλύψουν τη γενετική βάση των βασικών βακτηριακών αλληλεπιδράσεων με φυτά και άλλα μικρόβια μέσα σε εξαιρετικά ελεγχόμενα εργαστηριακά περιβάλλοντα όπως τα EcoFABs», δήλωσε ο Trent Northen, επιστήμονας στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του Τμήματος Ενέργειας. (Berkeley Lab) που συνεργάζεται με τον Barrangou.

«Βλέπουμε αυτό ως έναν μηχανισμό για να βοηθήσει το μικροβίωμα. Μπορούμε να κάνουμε μια αλλαγή σε ένα συγκεκριμένο βακτήριο και το υπόλοιπο μικροβίωμα παραμένει αλώβητο», είπε ο Barrangou. «Αυτή είναι μια απόδειξη της ιδέας που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε οποιαδήποτε πολύπλοκη μικροβιακή κοινότητα, η οποία θα μπορούσε να μεταφραστεί σε καλύτερη υγεία των φυτών και καλύτερη υγεία του γαστρεντερικού σωλήνα – περιβάλλοντα σημαντικά για τα τρόφιμα και την υγεία.

"Τελικά αυτή η μελέτη αντιπροσωπεύει το επόμενο κεφάλαιο της παράδοσης CRISPR - χρησιμοποιώντας ιούς για την παράδοση μηχανημάτων CRISPR σε ένα πολύπλοκο περιβάλλον."

Οι ερευνητές σχεδιάζουν να συνεχίσουν αυτό το έργο δοκιμάζοντας την τεχνική φάγου CRISPR με άλλα βακτήρια που σχετίζονται με το έδαφος. Είναι σημαντικό ότι αυτό δείχνει πώς οι μικροβιακές κοινότητες του εδάφους μπορούν να χειραγωγηθούν για να ελέγξουν τη σύνθεση και τη λειτουργία των βακτηρίων που σχετίζονται με φυτά σε κατασκευασμένα οικοσυστήματα για να κατανοήσουν πώς να ενισχύσουν την ανάπτυξη των φυτών και να προάγουν την υγεία των φυτών, κάτι που έχει ευρύ ενδιαφέρον για τη βιώσιμη γεωργία.

Η χρηματοδότηση παρασχέθηκε από το m-CAFEs Microbial Community Analysis & Functional Evaluation in Soils, μια περιοχή επικέντρωσης της επιστήμης με επικεφαλής το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley και με την υποστήριξη του Τμήματος Ενέργειας των Η.Π.Α. βάσει της σύμβασης αρ. DE-AC02-05CH11231, με συλλογικές προσπάθειες, όπως το UC Berkeley και το Innovative Genomics Institute. Οι συν-συγγραφείς της εργασίας περιλαμβάνουν τον Nethery, τον πρώην μεταδιδακτορικό ερευνητή του NC State, Claudio Hidalgo-Cantabrana και τον μεταπτυχιακό φοιτητή του NC State, Avery Roberts.

(Γ) NCSU