پیشرفت در ویرایش ژن: محققان ایالت NC از CRISPR برای تغییر جدول باکتری ها استفاده می کنند

رالی - اسمش را معمای CRISPR بگذارید.

باکتری ها از سیستم های CRISPR-Cas به عنوان سیستم ایمنی سازگار برای مقاومت در برابر حملات دشمنان مانند ویروس ها استفاده می کنند. این سیستم ها توسط دانشمندان برای حذف یا برش و جایگزینی توالی کد ژنتیکی خاص در موجودات مختلف اقتباس شده اند.

[CRISPR-Cas به گفته مؤسسه ملی بهداشت، یک سیستم ایمنی تطبیقی ​​است که در اکثر باکتری ها و باستانی ها وجود دارد و از آلوده شدن آنها به فاژها، ویروس ها و سایر عناصر ژنتیکی خارجی جلوگیری می کند.]

اما در یک مطالعه جدید، محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی نشان می‌دهند که ویروس‌های مهندسی‌شده با سیستم CRISPR-Cas می‌توانند دفاع باکتریایی را خنثی کنند و تغییرات انتخابی را در یک باکتری مورد نظر ایجاد کنند - حتی زمانی که باکتری‌های دیگر در مجاورت یکدیگر باشند.

«ویروس‌ها در انتقال محموله‌ها بسیار خوب هستند. در اینجا، ما از یک ویروس باکتریایی، یک باکتریوفاژ، برای رساندن CRISPR به باکتری ها استفاده می کنیم، که طعنه آمیز است زیرا باکتری ها معمولاً از CRISPR برای کشتن ویروس ها استفاده می کنند. رودولف بارنگو، استاد برجسته غذا، پردازش زیستی و علوم تغذیه در ایالت NC و نویسنده مسئول مقاله ای که این تحقیق را توصیف می کند که امروز در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم. "ویروس در این مورد هدف قرار می دهد باکتری E. coli با تحویل DNA به آن. مثل استفاده از یک ویروس به عنوان سرنگ است.»

محققان ایالت NC دو باکتریوفاژ مهندسی شده مختلف را برای تحویل محموله های CRISPR-Cas برای ویرایش هدفمند مستقر کردند. باکتری E. coliابتدا در یک لوله آزمایش و سپس در یک محیط خاک مصنوعی که برای تقلید از خاک ایجاد شده است - محیط پیچیده ای که می تواند انواع مختلفی از باکتری ها را در خود جای دهد.

هر دو باکتریوفاژ مهندسی شده، به نام T7 و لامبدا، با موفقیت یافتند و سپس محموله‌های محموله را به آن تحویل دادند. باکتری E. coli میزبان روی نیمکت آزمایشگاه این محموله‌ها ژن‌های فلورسنت باکتریایی را بیان می‌کردند و مقاومت باکتری را در برابر یک آنتی‌بیوتیک دستکاری می‌کردند.

سپس محققان از لامبدا برای ارائه یک ویرایشگر به اصطلاح پایه سیتوزین به آن استفاده کردند باکتری E. coli میزبان. این ویرایشگر پایه به‌جای جدا کردن سخت‌گیرانه توالی‌های DNA توسط کریسپر، فقط یک حرف را تغییر داد. ای کولایs DNA، نشان دهنده حساسیت و دقت سیستم است. این تغییرات باعث غیرفعال شدن ژن های باکتریایی خاص بدون ایجاد تغییرات دیگری در آنها می شود باکتری E. coli.

ما در اینجا از یک ویرایشگر پایه به عنوان نوعی کلید روشن و خاموش قابل برنامه ریزی برای ژن ها استفاده کردیم باکتری E. coli. متیو نتری، دکترای سابق ایالت NC می‌گوید با استفاده از سیستمی مانند این، می‌توانیم تغییرات تک حرفی بسیار دقیقی را در ژنوم بدون شکستگی DNA دو رشته‌ای که معمولاً با هدف‌گیری CRISPR-Cas مرتبط است، ایجاد کنیم. دانشجو و نویسنده اصلی مطالعه.

در نهایت، محققان ویرایش در محل را از طریق استفاده از یک اکوسیستم ساخته شده (EcoFAB) بارگیری شده با یک محیط خاک مصنوعی از ماسه و کوارتز، همراه با مایع، برای تقلید از محیط خاک نشان دادند. محققان همچنین سه نوع مختلف باکتری را برای بررسی اینکه آیا فاژ می تواند به طور خاص مکان یابی کند یا خیر، وارد کردند باکتری E. coli در داخل سیستم

بارنگو گفت: "در یک آزمایشگاه، دانشمندان می توانند چیزها را بیش از حد ساده کنند." ترجیحاً مدل‌سازی محیط‌ها بهتر است، بنابراین به جای سوپ در لوله آزمایش، می‌خواستیم محیط‌های واقعی را بررسی کنیم.»

محققان لامبدا را در اکوسیستم ساخته شده قرار دادند. کارایی خوبی در یافتن نشان داد باکتری E. coli و ایجاد تغییرات ژنتیکی هدفمند.

ترنت نورتن، دانشمند آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در وزارت انرژی، گفت: «این فناوری به تیم ما و دیگران امکان می‌دهد تا اساس ژنتیکی برهم‌کنش‌های باکتریایی کلیدی با گیاهان و سایر میکروب‌ها را در محیط‌های آزمایشگاهی بسیار کنترل‌شده مانند EcoFABs کشف کنند. (آزمایشگاه برکلی) که با Barrangou همکاری می کند.

ما این را مکانیزمی برای کمک به میکروبیوم می بینیم. ما می توانیم تغییری در یک باکتری خاص ایجاد کنیم و بقیه میکروبیوم آسیب ندیده باقی می ماند. "این اثبات مفهومی است که می تواند در هر جامعه میکروبی پیچیده ای به کار رود، که می تواند به سلامت بهتر گیاهان و سلامت دستگاه گوارش بهتر ترجمه شود - محیط های مهم برای غذا و سلامت.

"در نهایت این مطالعه فصل بعدی تحویل CRISPR را نشان می دهد - استفاده از ویروس ها برای تحویل ماشین آلات CRISPR در یک محیط پیچیده."

محققان قصد دارند این کار را با آزمایش تکنیک فاژ CRISPR با سایر باکتری‌های مرتبط با خاک ادامه دهند. به طور مهمی، این نشان می‌دهد که چگونه جوامع میکروبی خاک را می‌توان برای کنترل ترکیب و عملکرد باکتری‌های مرتبط با گیاهان در اکوسیستم‌های ساخته شده دستکاری کرد تا درک شود که چگونه رشد گیاه را تقویت کنیم و سلامت گیاه را ارتقا دهیم، که مورد علاقه گسترده کشاورزی پایدار است.

بودجه توسط m-CAFEs Microbial Community Analysis & Functional Evaluation in Soils، منطقه ای متمرکز بر علم به رهبری آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و با حمایت وزارت انرژی ایالات متحده تحت قرارداد شماره، ارائه شد. DE-AC02-05CH11231، با تلاش‌های مشترک از جمله UC Berkeley و مؤسسه Innovative Genomics. از نویسندگان همکار این مقاله می‌توان به نتری، کلودیو هیدالگو-کانتابرانا، محقق سابق پسادکتری ایالت NC و اوری رابرتز، دانشجوی کارشناسی ارشد ایالت NC اشاره کرد.

(ج) NCSU