Avans în editarea genelor: cercetătorii din NC State folosesc CRISPR pentru a transforma bacteriile

RALEIGH – Numiți-o o enigmă CRISPR.

Bacteriile folosesc sistemele CRISPR-Cas ca sisteme imunitare adaptive pentru a rezista atacurilor inamicilor cum ar fi virușii. Aceste sisteme au fost adaptate de oamenii de știință pentru a elimina sau tăia și înlocui secvențe specifice de cod genetic într-o varietate de organisme.

[CRISPR-Cas este un sistem imunitar adaptativ existent în majoritatea bacteriilor și arheilor, împiedicându-le să fie infectate cu fagi, viruși și alte elemente genetice străine, potrivit Institutului Național de Sănătate.]

Dar, într-un nou studiu, cercetătorii de la Universitatea de Stat din Carolina de Nord arată că virușii proiectați cu un sistem CRISPR-Cas pot împiedica apărarea bacteriană și pot face modificări selective unei bacterii vizate - chiar și atunci când alte bacterii sunt în imediata apropiere.

„Virușii sunt foarte buni la livrarea sarcinilor utile. Aici, folosim un virus bacterian, un bacteriofag, pentru a furniza CRISPR bacteriilor, ceea ce este ironic pentru că bacteriile folosesc în mod normal CRISPR pentru a ucide viruși”, a spus. Rodolphe Barrangou, Todd R. Klaenhammer Distinguished Professor of Food, Bioprocessing and Nutrition Sciences la NC State și autor corespondent al unei lucrări care descrie cercetarea publicată astăzi în Proceedings al Academiei Nationale de Stiinte. „Virusul în acest caz vizează E. coli prin livrarea ADN-ului acestuia. Este ca și cum ai folosi un virus pe post de seringă.”

Cercetătorii din NC State au desfășurat două bacteriofagi diferite pentru a furniza încărcături utile CRISPR-Cas pentru editarea țintită a E. coli, mai întâi într-o eprubetă și apoi într-un mediu de sol sintetic creat pentru a imita solul - un mediu complex care poate adăposti multe tipuri de bacterii.

Atât bacteriofagii proiectați, numiți T7 și lambda, au găsit cu succes și apoi au livrat sarcini utile către E. coli gazdă pe banca de laborator. Aceste sarcini utile au exprimat gene fluorescente bacteriene și au manipulat rezistența bacteriei la un antibiotic.

Cercetătorii au folosit apoi lambda pentru a furniza un așa-numit editor de bază de citozină E. coli gazdă. Mai degrabă decât scindarea uneori dură de către CRISPR a secvențelor ADN, acest editor de bază a schimbat doar o literă de E coli'ADN-ului, care arată sensibilitatea și precizia sistemului. Aceste modificări au inactivat anumite gene bacteriene fără a face alte modificări E. coli.

„Am folosit un editor de bază aici ca un fel de comutator programabil pornit-oprit pentru gene E. coli. Folosind un sistem ca acesta, putem face modificări extrem de precise cu o singură literă ale genomului fără ruperea ADN-ului dublu catenar asociată în mod obișnuit cu țintirea CRISPR-Cas”, a spus Matthew Nethery, fost doctor în NC State. student și autor principal al studiului.

În cele din urmă, cercetătorii au demonstrat editarea la fața locului prin utilizarea unui ecosistem fabricat (EcoFAB) încărcat cu un mediu de sol sintetic de nisip și cuarț, împreună cu lichid, pentru a imita un mediu de sol. Cercetătorii au inclus și trei tipuri diferite de bacterii pentru a testa dacă fagul ar putea localiza în mod specific E. coli în cadrul sistemului.

„Într-un laborator, oamenii de știință pot simplifica prea mult lucrurile”, a spus Barrangou. „Este de preferat să modelăm mediile, așa că, mai degrabă decât supa într-o eprubetă, am vrut să examinăm mediile din viața reală.”

Cercetătorii au introdus lambda în ecosistemul fabricat. A arătat o eficiență bună în găsire E. coli și efectuarea modificărilor genetice vizate.

„Această tehnologie va permite echipei noastre și altora să descopere baza genetică a interacțiunilor bacteriene cheie cu plantele și alți microbi în medii de laborator extrem de controlate, cum ar fi EcoFAB”, a spus Trent Northen, om de știință la Laboratorul Național Lawrence Berkeley al Departamentului de Energie. (Berkeley Lab) care colaborează cu Barrangou.

„Vedem acest lucru ca pe un mecanism care ajută microbiomul. Putem face o schimbare la o anumită bacterie și restul microbiomului rămâne nevătămat”, a spus Barrangou. „Aceasta este o dovadă a conceptului care ar putea fi folosită în orice comunitate microbiană complexă, care s-ar putea traduce într-o sănătate mai bună a plantelor și o sănătate mai bună a tractului gastrointestinal - medii de importanță pentru alimente și sănătate.

„În cele din urmă, acest studiu reprezintă următorul capitol al livrării CRISPR – utilizarea virușilor pentru a furniza mașini CRISPR într-un mediu complex.”

Cercetătorii intenționează să continue această activitate prin testarea tehnicii fagice CRISPR cu alte bacterii asociate solului. Foarte important, acest lucru ilustrează modul în care comunitățile microbiene din sol pot fi manipulate pentru a controla compoziția și funcția bacteriilor asociate cu plantele din ecosistemele fabricate pentru a înțelege cum să îmbunătățească creșterea plantelor și să promoveze sănătatea plantelor, ceea ce prezintă un interes larg pentru agricultura durabilă.

Finanțarea a fost asigurată de m-CAFEs Microbial Community Analysis & Functional Evaluation in Soils, un domeniu de știință condus de Laboratorul Național Lawrence Berkeley și susținut de Departamentul de Energie al SUA în baza contractului nr. DE-AC02-05CH11231, cu eforturi de colaborare, inclusiv UC Berkeley și Institutul de genomică inovatoare. Co-autorii lucrării includ Nethery, fostul cercetător post-doctoral din NC State Claudio Hidalgo-Cantabrana și studentul absolvent al NC State Avery Roberts.

(C) NCSU