ראלי - תקראו לזה חידת CRISPR.
חיידקים משתמשים במערכות CRISPR-Cas כמערכות חיסון אדפטיביות כדי לעמוד בפני התקפות של אויבים כמו וירוסים. מערכות אלו הותאמו על ידי מדענים כדי להסיר או לחתוך ולהחליף רצפי קוד גנטי ספציפיים במגוון אורגניזמים.
[CRISPR-Cas היא מערכת חיסונית אדפטיבית הקיימת ברוב החיידקים והארכאים, המונעת מהם להידבק בפאג'ים, וירוסים ואלמנטים גנטיים זרים אחרים, על פי המכון הלאומי לבריאות.]
Rodolphe Barrangou (צילום NCSU)
אבל במחקר חדש, חוקרים מאוניברסיטת צפון קרוליינה סטייט מראים כי וירוסים שהונדסו עם מערכת CRISPR-Cas יכולים לסכל הגנות חיידקים ולבצע שינויים סלקטיביים בחיידק ממוקד - גם כאשר חיידקים אחרים נמצאים בקרבת מקום.
"וירוסים טובים מאוד בהעברת מטענים. כאן, אנו משתמשים בנגיף חיידקי, בקטריופאג, כדי להעביר CRISPR לחיידקים, וזה אירוני מכיוון שבדרך כלל חיידקים משתמשים ב-CRISPR כדי להרוג וירוסים", אמר. רודולף ברנגו, הפרופסור המובהק של טוד ר. קלנהאמר למדעי מזון, עיבוד ביולוגי ותזונה במדינת NC ומחבר מקביל של מאמר המתאר את המחקר שפורסם היום ב- PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים. "הנגיף במקרה הזה מכוון החיידק על ידי העברת DNA אליו. זה כמו להשתמש בווירוס כמזרק".
החוקרים במדינת NC פרסו שני בקטריופאג'ים מהונדסים שונים כדי לספק מטענים של CRISPR-Cas לעריכה ממוקדת של החיידק, תחילה במבחנה ולאחר מכן בתוך סביבת אדמה סינתטית שנוצרה כדי לחקות אדמה - סביבה מורכבת שיכולה להכיל סוגים רבים של חיידקים.
שני הבקטריופאג'ים המהונדסים, הנקראים T7 ולמבדה, נמצאו בהצלחה ולאחר מכן העבירו מטענים ל- החיידק מארח על ספסל המעבדה. מטענים אלה ביטאו גנים פרחוניים של חיידקים ותמרנו את העמידות של החיידק לאנטיביוטיקה.
החוקרים השתמשו אז בלמבדה כדי להעביר מה שנקרא עורך בסיס ציטוזין ל- החיידק מנחה. במקום הביקוע הקשה לפעמים של CRISPR של רצפי DNA, עורך הבסיס הזה שינה רק אות אחת של אי - קולי'ה-DNA של המערכת, המראה את הרגישות והדיוק של המערכת. שינויים אלה השביתו גנים חיידקיים מסוימים מבלי לבצע שינויים אחרים החיידק.
"השתמשנו כאן בעורך בסיס כמעין מתג הפעלה-כיבוי שניתן לתכנות עבור גנים החיידק. באמצעות מערכת כזו, אנו יכולים לבצע שינויים מדויקים ביותר של אות בודדת בגנום ללא שבירת DNA דו-גדילית הקשורה בדרך כלל למיקוד ב-CRISPR-Cas", אמר מתיו נתרי, דוקטור לשעבר במדינת NC. סטודנט ומחבר ראשי של המחקר.
לבסוף, החוקרים הדגימו עריכה באתר באמצעות שימוש במערכת אקולוגית מפוברקת (EcoFAB) עמוסה במדיום אדמה סינתטי של חול וקוורץ, יחד עם נוזל, כדי לחקות סביבת קרקע. החוקרים כללו גם שלושה סוגים שונים של חיידקים כדי לבדוק אם הפאג יכול לאתר באופן ספציפי החיידק בתוך המערכת.
"במעבדה, מדענים יכולים לפשט דברים", אמר ברנגו. "עדיף לדגמן סביבות, אז במקום מרק במבחנה, רצינו לבחון סביבות אמיתיות".
החוקרים הכניסו למבדה למערכת האקולוגית המפוברקת. זה הראה יעילות טובה במציאת החיידק וביצוע השינויים הגנטיים הממוקדים.
"טכנולוגיה זו הולכת לאפשר לצוות שלנו ולאחרים לגלות את הבסיס הגנטי של אינטראקציות חיידקיות מפתח עם צמחים וחיידקים אחרים בתוך סביבות מעבדה מבוקרות מאוד כמו EcoFABs", אמר טרנט נורת'ן, מדען במעבדה הלאומית של משרד האנרגיה לורנס ברקלי. (מעבדת ברקלי) שמשתפת פעולה עם ברנגו.
"אנחנו רואים בזה מנגנון לסייע למיקרוביום. אנחנו יכולים לעשות שינוי בחיידק מסוים ושאר המיקרוביום נשאר ללא פגע", אמר ברנגו. "זוהי הוכחה למושג שניתן להשתמש בכל קהילה מיקרוביאלית מורכבת, מה שיכול לתרגם לבריאות הצמח טובה יותר ולבריאות טובה יותר של מערכת העיכול - סביבות בעלות חשיבות למזון ולבריאות.
"בסופו של דבר המחקר הזה מייצג את הפרק הבא של משלוח CRISPR - שימוש בווירוסים כדי לספק מכונות CRISPR בסביבה מורכבת."
החוקרים מתכננים להמשיך בעבודה זו על ידי בדיקת טכניקת הפאג' CRISPR עם חיידקים אחרים הקשורים לאדמה. חשוב לציין, זה ממחיש כיצד ניתן לתמרן קהילות מיקרוביאליות בקרקע כדי לשלוט בהרכב ובתפקוד של חיידקים הקשורים לצמחים במערכות אקולוגיות מפוברקות כדי להבין כיצד לשפר את צמיחת הצמחים ולקדם את בריאות הצומח, שהיא בעלת עניין רחב לחקלאות בת קיימא.
המימון סופק על ידי m-CAFEs Microbial Community Analysis & Functional Evaluation in Soils, אזור מיקוד מדעי בראשות Lawrence Berkeley National Laboratory ונתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי תחת חוזה מס. DE-AC02-05CH11231, עם מאמצי שיתוף פעולה כולל UC Berkeley ומכון הגנומיקה החדשנית. מחברי המאמר כוללים את Nethery, חוקר פוסט-דוקטורט לשעבר במדינת NC, קלאודיו הידלגו-קנטברנה, וסטודנט לתואר שני במדינת NC, אייברי רוברטס.
(ג) NCSU
