Прогресс в редактировании генов: исследователи из штата Северная Каролина используют CRISPR для борьбы с бактериями

РОЛИ – Назовите это загадкой CRISPR.

Бактерии используют системы CRISPR-Cas в качестве адаптивной иммунной системы, чтобы противостоять атакам врагов, таких как вирусы. Эти системы были адаптированы учеными для удаления или вырезания и замены определенных последовательностей генетического кода у различных организмов.

[CRISPR-Cas По данным Национального института здравоохранения, это адаптивная иммунная система, существующая у большинства бактерий и архей, предотвращающая их заражение фагами, вирусами и другими чужеродными генетическими элементами.]

Но в новом исследовании исследователи из Университета штата Северная Каролина показывают, что вирусы, созданные с помощью системы CRISPR-Cas, могут разрушать бактериальную защиту и вносить избирательные изменения в целевую бактерию – даже когда другие бактерии находятся в непосредственной близости.

«Вирусы очень хороши в доставке полезной нагрузки. Здесь мы используем бактериальный вирус, бактериофаг, для доставки CRISPR бактериям, что иронично, поскольку бактерии обычно используют CRISPR для уничтожения вирусов», — сказал он. Родольф Баррангу, Тодд Р. Клаенхаммер, заслуженный профессор пищевых продуктов, биопереработки и диетологии в штате Северная Каролина и автор-корреспондент статьи с описанием исследования, опубликованной сегодня в Труды Национальной академии наук. «Вирус в данном случае нацелен E. палочки путем доставки к нему ДНК. Это все равно, что использовать вирус в качестве шприца».

Исследователи штата Северная Каролина использовали два различных сконструированных бактериофага для доставки полезных нагрузок CRISPR-Cas для целевого редактирования E. палочкиСначала в пробирке, а затем в синтетической почвенной среде, имитирующей почву – сложную среду, в которой могут обитать многие виды бактерий.

Оба сконструированных бактериофага, названные Т7 и лямбда, успешно нашли и затем доставили полезную нагрузку на планету. E. палочки хозяин на лабораторном столе. Эти полезные нагрузки экспрессировали бактериальные флуоресцентные гены и манипулировали устойчивостью бактерий к антибиотикам.

Затем исследователи использовали лямбду, чтобы доставить в мозг так называемый редактор цитозиновых оснований. E. палочки хозяин. Вместо порой жесткого расщепления последовательностей ДНК CRISPR, этот базовый редактор изменил всего одну букву кишечная палочкаДНК, демонстрирующая чувствительность и точность системы. Эти изменения инактивировали определенные бактериальные гены, не внося других изменений в E. палочки.

«Здесь мы использовали базовый редактор как своего рода программируемый переключатель для генов в E. палочки. Используя подобную систему, мы можем вносить в геном высокоточные однобуквенные изменения без разрыва двухцепочечной ДНК, обычно связанного с нацеливанием CRISPR-Cas», — сказал Мэтью Нетери, бывший доктор философии штата Северная Каролина. студент и ведущий автор исследования.

Наконец, исследователи продемонстрировали редактирование на месте с помощью искусственной экосистемы (EcoFAB), наполненной синтетической почвенной средой из песка и кварца, а также жидкостью, чтобы имитировать почвенную среду. Исследователи также включили три различных типа бактерий, чтобы проверить, может ли фаг специфически определять местонахождение бактерий. E. палочки внутри системы.

«В лаборатории ученые могут все упростить», — сказал Баррангу. «Предпочтительнее моделировать окружающую среду, поэтому вместо супа в пробирке мы хотели изучить реальную среду».

Исследователи вставили лямбду в сфабрикованную экосистему. Он показал хорошую эффективность в поиске E. палочки и внесение целевых генетических изменений.

«Эта технология позволит нашей команде и другим специалистам обнаружить генетическую основу ключевых взаимодействий бактерий с растениями и другими микробами в строго контролируемых лабораторных средах, таких как EcoFAB», — сказал Трент Нортен, ученый из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики. (Лаборатория Беркли), который сотрудничает с Баррангу.

«Мы рассматриваем это как механизм помощи микробиому. Мы можем внести изменения в конкретную бактерию, а остальная часть микробиома останется невредимой», — сказал Баррангу. «Это доказательство концепции, которую можно использовать в любом сложном микробном сообществе, что может привести к улучшению здоровья растений и здоровья желудочно-кишечного тракта – среды, важной для питания и здоровья.

«В конечном итоге это исследование представляет собой следующую главу разработки CRISPR – использование вирусов для доставки оборудования CRISPR в сложную среду».

Исследователи планируют продолжить эту работу, проверив метод фагового CRISPR на других почвенных бактериях. Важно отметить, что это иллюстрирует, как можно манипулировать микробными сообществами почвы, чтобы контролировать состав и функции бактерий, связанных с растениями в искусственных экосистемах, чтобы понять, как улучшить рост растений и улучшить их здоровье, что представляет широкий интерес для устойчивого сельского хозяйства.

Финансирование было предоставлено m-CAFEs «Анализ микробного сообщества и функциональная оценка в почвах», научное направление, возглавляемое Национальной лабораторией Лоуренса Беркли и поддерживаемое Министерством энергетики США по контракту №. DE-AC02-05CH11231, совместными усилиями Калифорнийского университета в Беркли и Института инновационной геномики. Соавторами статьи являются Нетери, бывший научный сотрудник штата Северная Каролина Клаудио Идальго-Кантабрана и аспирант штата Северная Каролина Эйвери Робертс.

(С) NCSU