RALEIG – Sebut saja ini teka-teki CRISPR.
Bakteri menggunakan sistem CRISPR-Cas sebagai sistem kekebalan adaptif untuk menahan serangan musuh seperti virus. Sistem ini telah diadaptasi oleh para ilmuwan untuk menghilangkan atau memotong dan mengganti rangkaian kode genetik tertentu pada berbagai organisme.
[CRISPR-Cas adalah sistem kekebalan adaptif yang ada pada sebagian besar bakteri dan archaea, mencegah mereka terinfeksi oleh fag, virus, dan elemen genetik asing lainnya, menurut National Institute of Health.]
Rodolphe Barrangou (foto NCSU)
Namun dalam sebuah studi baru, para peneliti di North Carolina State University menunjukkan bahwa virus yang direkayasa dengan sistem CRISPR-Cas dapat menggagalkan pertahanan bakteri dan membuat perubahan selektif pada bakteri target – bahkan ketika bakteri lain berada di dekatnya.
“Virus sangat baik dalam mengirimkan muatan. Di sini, kami menggunakan virus bakteri, bakteriofag, untuk mengirimkan CRISPR ke bakteri, dan ini ironis karena bakteri biasanya menggunakan CRISPR untuk membunuh virus,” kata Rodolphe Barrangou, Profesor Ilmu Pangan, Bioproses dan Gizi Todd R. Klaenhammer di NC State dan penulis makalah yang menjelaskan penelitian yang diterbitkan hari ini di Prosiding National Academy of Sciences. “Virus dalam hal ini menyasar E. coli dengan mengirimkan DNA ke sana. Ini seperti menggunakan virus sebagai jarum suntik.”
Para peneliti NC State mengerahkan dua bakteriofag rekayasa berbeda untuk mengirimkan muatan CRISPR-Cas untuk pengeditan yang ditargetkan E. coli, pertama di dalam tabung reaksi dan kemudian di dalam lingkungan tanah sintetis yang dibuat untuk meniru tanah – lingkungan kompleks yang dapat menampung banyak jenis bakteri.
Bakteriofag yang direkayasa, yang disebut T7 dan lambda, berhasil menemukan dan kemudian mengirimkan muatan ke sana E. coli tuan rumah di bangku laboratorium. Muatan ini mengekspresikan gen bakteri yang berpendar dan memanipulasi resistensi bakteri terhadap antibiotik.
Para peneliti kemudian menggunakan lambda untuk mengirimkan apa yang disebut editor basis sitosin ke E. coli tuan rumah. Dibandingkan dengan pemotongan urutan DNA yang terkadang dilakukan CRISPR dengan keras, editor dasar ini hanya mengubah satu huruf saja E.colis DNA, menunjukkan sensitivitas dan ketepatan sistem. Perubahan ini menonaktifkan gen bakteri tertentu tanpa melakukan perubahan lain E. coli.
“Kami menggunakan editor dasar di sini sebagai semacam saklar on-off yang dapat diprogram untuk gen di dalamnya E. coli. Dengan menggunakan sistem seperti ini, kita dapat membuat perubahan satu huruf yang sangat presisi pada genom tanpa kerusakan DNA untai ganda yang umumnya dikaitkan dengan penargetan CRISPR-Cas,” kata Matthew Nethery, mantan Ph.D. mahasiswa dan penulis utama studi tersebut.
Terakhir, para peneliti mendemonstrasikan pengeditan di lokasi melalui penggunaan ekosistem buatan (EcoFAB) yang diisi dengan media tanah sintetis berupa pasir dan kuarsa, bersama dengan cairan, untuk meniru lingkungan tanah. Para peneliti juga memasukkan tiga jenis bakteri berbeda untuk menguji apakah fag dapat ditemukan secara spesifik E. coli dalam sistem.
“Di laboratorium, ilmuwan bisa menyederhanakan banyak hal,” kata Barrangou. “Lebih baik jika kita memodelkan lingkungan, jadi daripada melakukan sup dalam tabung reaksi, kami ingin menguji lingkungan di kehidupan nyata.”
Para peneliti memasukkan lambda ke dalam ekosistem buatannya. Ini menunjukkan efisiensi yang baik dalam pencarian E. coli dan membuat perubahan genetik yang ditargetkan.
“Teknologi ini akan memungkinkan tim kami dan pihak lain menemukan dasar genetik dari interaksi bakteri utama dengan tanaman dan mikroba lain dalam lingkungan laboratorium yang dikontrol dengan ketat seperti EcoFAB,” kata Trent Northen, ilmuwan di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley, Departemen Energi. (Berkeley Lab) yang berkolaborasi dengan Barrangou.
“Kami melihat ini sebagai mekanisme untuk membantu mikrobioma. Kita dapat membuat perubahan pada bakteri tertentu dan mikrobioma lainnya tetap tidak terpengaruh,” kata Barrangou. “Ini adalah bukti konsep yang dapat diterapkan pada komunitas mikroba kompleks mana pun, yang dapat menghasilkan kesehatan tanaman yang lebih baik dan kesehatan saluran pencernaan yang lebih baik – lingkungan yang penting bagi pangan dan kesehatan.
“Pada akhirnya penelitian ini mewakili babak berikutnya dalam penerapan CRISPR – menggunakan virus untuk menghadirkan mesin CRISPR di lingkungan yang kompleks.”
Para peneliti berencana untuk melanjutkan pekerjaan ini dengan menguji teknik fag CRISPR dengan bakteri lain yang berhubungan dengan tanah. Yang penting, hal ini menggambarkan bagaimana komunitas mikroba tanah dapat dimanipulasi untuk mengontrol komposisi dan fungsi bakteri yang terkait dengan tanaman di ekosistem buatan untuk memahami cara meningkatkan pertumbuhan tanaman dan meningkatkan kesehatan tanaman, yang merupakan kepentingan luas bagi pertanian berkelanjutan.
Pendanaan disediakan oleh m-CAFEs Microbial Community Analysis & Functional Evaluation in Soils, a Science Focus Area yang dipimpin oleh Lawrence Berkeley National Laboratory dan didukung oleh Departemen Energi AS berdasarkan kontrak no. DE-AC02-05CH11231, dengan upaya kolaboratif termasuk UC Berkeley dan Innovative Genomics Institute. Rekan penulis makalah ini termasuk Nethery, mantan peneliti pasca-doktoral NC State Claudio Hidalgo-Cantabrana dan mahasiswa pascasarjana NC State Avery Roberts.
(C)NCSU
