RALEIGH – Nevezzük CRISPR rejtvénynek.
A baktériumok a CRISPR-Cas rendszereket adaptív immunrendszerként használják, hogy ellenálljanak az ellenségek, például a vírusok támadásainak. Ezeket a rendszereket a tudósok adaptálták bizonyos genetikai kódszekvenciák eltávolítására vagy kivágására és helyettesítésére számos organizmusban.
[CRISPR-Cas Az Országos Egészségügyi Intézet szerint a legtöbb baktériumban és archaeában létező adaptív immunrendszer, amely megakadályozza, hogy fágok, vírusok és más idegen genetikai elemek megfertőzzék őket.]
Rodolphe Barrangou (NCSU fotó)
Egy új tanulmányban azonban az Észak-Karolinai Állami Egyetem kutatói kimutatták, hogy a CRISPR-Cas rendszerrel tervezett vírusok meghiúsíthatják a bakteriális védekezést, és szelektíven módosíthatják a megcélzott baktériumot – még akkor is, ha más baktériumok vannak a közelben.
„A vírusok nagyon jók a hasznos terhek szállításában. Itt egy bakteriális vírust, egy bakteriofágot használunk, hogy CRISPR-t szállítsunk a baktériumoknak, ami ironikus, mert a baktériumok általában a CRISPR-t használják a vírusok elpusztítására” – mondta. Rodolphe Barrangou, Todd R. Klaenhammer, az NC State Élelmiszer-, Biofeldolgozás- és Táplálkozástudományok Kiváló professzora, valamint a kutatást leíró tanulmány megfelelő szerzője Proceedings of the National Academy of Sciences. „A vírus ebben az esetben a cél E. coli DNS-t juttatva hozzá. Ez olyan, mintha egy vírust használnánk fecskendőnek.”
Az NC állam kutatói két különböző megtervezett bakteriofágot telepítettek a CRISPR-Cas rakományok célzott szerkesztéséhez. E. coli, először egy kémcsőben, majd egy szintetikus talajkörnyezetben, amelyet úgy alakítottak ki, hogy utánozzák a talajt – egy összetett környezet, amely sokféle baktériumot tartalmazhat.
Mindkét tervezett bakteriofág, a T7 és a lambda, sikeresen megtalálta, majd szállította a hasznos terheket a E. coli házigazda a laborpadon. Ezek a rakományok bakteriális fluoreszcens géneket fejeztek ki, és manipulálták a baktérium antibiotikumokkal szembeni rezisztenciáját.
A kutatók ezután lambda segítségével szállítottak egy úgynevezett citozinbázis-szerkesztőt a E. coli házigazda. Ahelyett, hogy a CRISPR olykor keményen hasította a DNS-szekvenciákat, ez az alapszerkesztő csak egy betűt változtatott E. coli"s DNS, amely a rendszer érzékenységét és pontosságát mutatja. Ezek a változások inaktiváltak bizonyos bakteriális géneket anélkül, hogy más változtatásokat végrehajtottak volna E. coli.
„Itt egy alapszerkesztőt használtunk egyfajta programozható ki-be kapcsolóként a génekhez E. coli. Egy ilyen rendszer használatával rendkívül precíz, egybetűs változtatásokat hajthatunk végre a genomban, anélkül, hogy a CRISPR-Cas célzásával általában összefüggő kétszálú DNS-törést okoznánk” – mondta Matthew Nethery, az NC State korábbi Ph.D. hallgatója és a tanulmány vezető szerzője.
Végül a kutatók bemutatták a helyszíni szerkesztést egy mesterséges ökoszisztéma (EcoFAB) használatával, amelyet homokból és kvarcból álló szintetikus talajközeggel töltöttek meg folyadékkal együtt, hogy utánozzák a talaj környezetét. A kutatók három különböző típusú baktériumot is bevontak annak tesztelésére, hogy a fág képes-e konkrétan lokalizálni E. coli a rendszeren belül.
"Egy laborban a tudósok túlságosan leegyszerűsíthetik a dolgokat" - mondta Barrangou. "Környezetek modellezése előnyösebb, ezért a kémcsőben való leves helyett a valós környezeteket szerettük volna megvizsgálni."
A kutatók lambdát helyeztek be a gyártott ökoszisztémába. Jó hatékonyságot mutatott a keresésben E. coli és a célzott genetikai változtatások elvégzése.
"Ez a technológia lehetővé teszi csapatunknak és másoknak, hogy felfedezzék a kulcsfontosságú bakteriális kölcsönhatások genetikai alapját a növényekkel és más mikrobákkal szigorúan ellenőrzött laboratóriumi környezetben, például az EcoFAB-okban" - mondta Trent Northen, az Energiaügyi Minisztérium Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumának tudósa. (Berkeley Lab), aki együttműködik Barrangouval.
„Ezt a mikrobiomát segítő mechanizmusnak tekintjük. Változtathatunk egy adott baktériumon, és a mikrobiom többi része sértetlen marad” – mondta Barrangou. „Ez egy olyan koncepció bizonyítéka, amely bármely összetett mikrobiális közösségben alkalmazható, ami jobb növény-egészségügyet és jobb gasztrointesztinális traktus egészségét eredményezheti – az élelmiszerek és az egészség szempontjából fontos környezetekben.
„Végül ez a tanulmány a CRISPR szállítás következő fejezete – vírusok felhasználásával a CRISPR gépek komplex környezetben történő szállítására.”
A kutatók azt tervezik, hogy a fág CRISPR technikát más talajhoz kapcsolódó baktériumokkal tesztelik. Fontos, hogy ez szemlélteti, hogyan lehet manipulálni a talaj mikrobiális közösségeit a növényekkel kapcsolatos baktériumok összetételének és működésének szabályozása érdekében a gyártott ökoszisztémákban, hogy megértsük, hogyan lehet fokozni a növények növekedését és elősegíteni a növényegészségügyet, ami a fenntartható mezőgazdaság szempontjából széles körben fontos.
A finanszírozást az m-CAFEs Microbial Community Analysis & Functional Evaluation in Soils, a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium által vezetett tudományos fókuszterület biztosította, és az Egyesült Államok Energiaügyi Osztálya támogatta a 02. számú szerződés értelmében. DE-AC05-11231CHXNUMX, együttműködési erőfeszítésekkel, beleértve az UC Berkeley-t és az Innovatív Genomikai Intézetet. A tanulmány társszerzői közé tartozik Nethery, Claudio Hidalgo-Cantabrana volt NC State posztdoktori kutató és Avery Roberts, az NC State végzős hallgatója.
(C) NCSU
