RALEIGH – Chiamatelo un enigma CRISPR.
I batteri utilizzano i sistemi CRISPR-Cas come sistemi immunitari adattivi per resistere agli attacchi di nemici come i virus. Questi sistemi sono stati adattati dagli scienziati per rimuovere o tagliare e sostituire specifiche sequenze di codici genetici in una varietà di organismi.
[CRISPR-Cas è un sistema immunitario adattativo esistente nella maggior parte dei batteri e degli archaea, che impedisce loro di essere infettati da fagi, virus e altri elementi genetici estranei, secondo l'Istituto Nazionale della Sanità.]
Rodolphe Barrangou (foto NCSU)
Ma in un nuovo studio, i ricercatori della North Carolina State University dimostrano che i virus progettati con un sistema CRISPR-Cas possono contrastare le difese batteriche e apportare modifiche selettive a un batterio preso di mira, anche quando altri batteri si trovano nelle immediate vicinanze.
“I virus sono molto bravi a fornire carichi utili. Qui usiamo un virus batterico, un batteriofago, per fornire CRISPR ai batteri, il che è ironico perché i batteri normalmente usano CRISPR per uccidere i virus”, ha affermato Rodolfo Barrangou, Todd R. Klaenhammer Distinguished Professor of Food, Bioprocessing and Nutrition Sciences presso NC State e autore corrispondente di un articolo che descrive la ricerca pubblicato oggi su Atti della National Academy of Sciences. “Il virus in questo caso prende di mira E. coli consegnandogli il DNA. È come usare un virus come una siringa”.
I ricercatori dello Stato NC hanno utilizzato due diversi batteriofagi ingegnerizzati per fornire carichi utili CRISPR-Cas per la modifica mirata di E. coli, prima in una provetta e poi all'interno di un ambiente di terreno sintetico creato per imitare il suolo, un ambiente complesso che può ospitare molti tipi di batteri.
Entrambi i batteriofagi ingegnerizzati, chiamati T7 e lambda, hanno trovato con successo e quindi consegnato i carichi utili al E. coli ospite sul banco del laboratorio. Questi carichi utili esprimevano geni fluorescenti batterici e manipolavano la resistenza del batterio a un antibiotico.
I ricercatori hanno quindi utilizzato lambda per fornire al sistema un cosiddetto editor di base della citosina E. coli ospite. Piuttosto che la suddivisione a volte dura delle sequenze di DNA da parte di CRISPR, questo editor di base ha cambiato solo una lettera di E. coli's DNA, mostrando la sensibilità e la precisione del sistema. Questi cambiamenti hanno inattivato alcuni geni batterici senza apportare altre modifiche E. coli.
“Qui abbiamo utilizzato un editor di base come una sorta di interruttore di accensione/spegnimento programmabile per i geni E. coli. Usando un sistema come questo, possiamo apportare modifiche altamente precise a una sola lettera al genoma senza la rottura del doppio filamento del DNA comunemente associata al targeting CRISPR-Cas”, ha affermato Matthew Nethery, ex Ph.D. dello stato NC. studente e autore principale dello studio.
Infine, i ricercatori hanno dimostrato l’editing in loco attraverso l’uso di un ecosistema fabbricato (EcoFAB) caricato con un terreno sintetico composto da sabbia e quarzo, insieme a liquido, per imitare l’ambiente del suolo. I ricercatori hanno anche incluso tre diversi tipi di batteri per verificare se il fago potesse localizzarsi in modo specifico E. coli all'interno del sistema.
"In un laboratorio, gli scienziati possono semplificare eccessivamente le cose", ha detto Barrangou. "È preferibile modellare gli ambienti, quindi, anziché il brodo in una provetta, volevamo esaminare gli ambienti della vita reale."
I ricercatori hanno inserito lambda nell'ecosistema fabbricato. Ha mostrato una buona efficienza nella ricerca E. coli e apportando i cambiamenti genetici mirati.
"Questa tecnologia consentirà al nostro team e ad altri di scoprire le basi genetiche delle principali interazioni batteriche con piante e altri microbi all'interno di ambienti di laboratorio altamente controllati come gli EcoFAB", ha affermato Trent Northen, uno scienziato del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia. (Berkeley Lab) che collabora con Barrangou.
“Lo consideriamo un meccanismo per aiutare il microbioma. Possiamo apportare una modifica a un particolare batterio e il resto del microbioma rimane indenne”, ha affermato Barrangou. “Questa è una prova di concetto che potrebbe essere impiegata in qualsiasi comunità microbica complessa, il che potrebbe tradursi in una migliore salute delle piante e una migliore salute del tratto gastrointestinale – ambienti importanti per il cibo e la salute.
“In definitiva, questo studio rappresenta il prossimo capitolo della fornitura di CRISPR: utilizzare i virus per fornire macchinari CRISPR in un ambiente complesso”.
I ricercatori intendono portare avanti questo lavoro testando la tecnica fagica CRISPR con altri batteri associati al suolo. È importante sottolineare che questo illustra come le comunità microbiche del suolo possono essere manipolate per controllare la composizione e la funzione dei batteri associati alle piante negli ecosistemi fabbricati per capire come migliorare la crescita delle piante e promuovere la salute delle piante, il che è di ampio interesse per l’agricoltura sostenibile.
Il finanziamento è stato fornito da m-CAFEs Microbial Community Analysis & Functional Evaluation in Soils, un'area di interesse scientifico guidata dal Lawrence Berkeley National Laboratory e supportata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti con il contratto n. DE-AC02-05CH11231, con sforzi di collaborazione tra cui l'UC Berkeley e l'Innovative Genomics Institute. I coautori dell'articolo includono Nethery, l'ex ricercatore post-dottorato dello stato della NC Claudio Hidalgo-Cantabrana e lo studente laureato dello stato della NC Avery Roberts.
(C) NCSU
