ราลี – เรียกมันว่าปริศนา CRISPR
แบคทีเรียใช้ระบบ CRISPR-Cas เป็นระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวเพื่อต้านทานการโจมตีจากศัตรูเช่นไวรัส นักวิทยาศาสตร์ได้ดัดแปลงระบบเหล่านี้เพื่อกำจัดหรือตัดและแทนที่ลำดับรหัสพันธุกรรมเฉพาะในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด
[CRISPR-คาส เป็นระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวที่มีอยู่ในแบคทีเรียและอาร์เคียส่วนใหญ่ เพื่อป้องกันไม่ให้พวกมันติดฟาจ ไวรัส และองค์ประกอบทางพันธุกรรมอื่น ๆ ตามที่สถาบันสุขภาพแห่งชาติระบุ]
โรโดลฟี่ บาร์รังกู (ภาพ NCSU)
แต่ในการศึกษาใหม่ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ธแคโรไลนา แสดงให้เห็นว่าไวรัสที่ออกแบบด้วยระบบ CRISPR-Cas สามารถขัดขวางการป้องกันของแบคทีเรียและทำการเปลี่ยนแปลงเฉพาะเจาะจงต่อแบคทีเรียเป้าหมาย แม้ว่าแบคทีเรียตัวอื่นจะอยู่ใกล้กันก็ตาม
“ไวรัสสามารถส่งมอบเพย์โหลดได้ดีมาก ที่นี่ เราใช้ไวรัสจากแบคทีเรีย หรือแบคเทอริโอฟาจ เพื่อส่ง CRISPR ไปยังแบคทีเรีย ซึ่งเป็นเรื่องน่าขันเพราะโดยปกติแล้วแบคทีเรียจะใช้ CRISPR เพื่อฆ่าไวรัส” กล่าว โรดอล์ฟ บาร์รังกูศาสตราจารย์พิเศษด้านอาหาร กระบวนการทางชีวภาพ และโภชนาการศาสตร์ของ Todd R. Klaenhammer ที่ NC State และผู้เขียนบทความที่เกี่ยวข้องซึ่งอธิบายงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวันนี้ใน กิจการของ National Academy of Sciences. “ไวรัสในกรณีนี้มุ่งเป้าไปที่ E. coli โดยการส่ง DNA เข้าไป มันเหมือนกับการใช้ไวรัสเป็นเข็มฉีดยา”
นักวิจัยของ NC State ได้ใช้แบคทีริโอฟาจที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมที่แตกต่างกันสองแบบเพื่อส่งมอบ CRISPR-Cas เพย์โหลดสำหรับการแก้ไขแบบกำหนดเป้าหมายของ E. coliขั้นแรกในหลอดทดลอง และจากนั้นภายในสภาพแวดล้อมของดินสังเคราะห์ที่สร้างขึ้นเพื่อเลียนแบบดิน ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนที่สามารถกักเก็บแบคทีเรียได้หลายประเภท
ทั้งแบคทีเรียที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมที่เรียกว่า T7 และแลมบ์ดา ค้นพบได้สำเร็จแล้วจึงส่งมอบน้ำหนักบรรทุกไปยัง E. coli เป็นเจ้าภาพบนม้านั่งในห้องปฏิบัติการ น้ำหนักบรรทุกเหล่านี้แสดงยีนเรืองแสงของแบคทีเรียและควบคุมความต้านทานของแบคทีเรียต่อยาปฏิชีวนะ
จากนั้นนักวิจัยได้ใช้แลมบ์ดาเพื่อส่งสิ่งที่เรียกว่าตัวแก้ไขฐานไซโตซีนไปยัง E. coli เจ้าภาพ. แทนที่จะแยกลำดับ DNA ที่รุนแรงในบางครั้งของ CRISPR ตัวแก้ไขพื้นฐานนี้เปลี่ยนเพียงตัวอักษรเดียวของ อีโคไล'DNA ที่แสดงความไวและความแม่นยำของระบบ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้ยีนของแบคทีเรียบางชนิดไม่ทำงานโดยไม่ทำการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ E. coli.
“เราใช้โปรแกรมแก้ไขพื้นฐานที่นี่เป็นสวิตช์เปิด-ปิดแบบตั้งโปรแกรมได้สำหรับยีนในนั้น E. coli. เมื่อใช้ระบบเช่นนี้ เราจึงสามารถทำการเปลี่ยนแปลงจีโนมด้วยตัวอักษรตัวเดียวได้อย่างแม่นยำ โดยไม่มีการแตกหักของ DNA สองสายที่มักเกี่ยวข้องกับการกำหนดเป้าหมาย CRISPR-Cas” Matthew Nethery อดีตปริญญาเอกของ NC State กล่าว นักศึกษาและผู้เขียนหลักของการศึกษานี้
ในที่สุด นักวิจัยได้สาธิตการแก้ไขในสถานที่โดยใช้ระบบนิเวศประดิษฐ์ (EcoFAB) ที่เต็มไปด้วยดินสังเคราะห์ที่เป็นทรายและควอตซ์ พร้อมด้วยของเหลว เพื่อเลียนแบบสภาพแวดล้อมของดิน นักวิจัยยังรวมแบคทีเรียสามประเภทที่แตกต่างกันเพื่อทดสอบว่าฟาจสามารถระบุตำแหน่งได้หรือไม่ E. coli ภายในระบบ
“ในห้องทดลอง นักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้สิ่งต่าง ๆ เรียบง่ายเกินไปได้” Barrangou กล่าว “มันจะดีกว่าที่จะสร้างแบบจำลองสภาพแวดล้อม ดังนั้นแทนที่จะใช้ซุปในหลอดทดลอง เราจึงต้องการตรวจสอบสภาพแวดล้อมในชีวิตจริง”
นักวิจัยได้ใส่แลมบ์ดาเข้าไปในระบบนิเวศที่สร้างขึ้น แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่ดีในการค้นหา E. coli และทำการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมแบบกำหนดเป้าหมาย
“เทคโนโลยีนี้จะช่วยให้ทีมงานของเราและคนอื่นๆ สามารถค้นพบพื้นฐานทางพันธุกรรมของปฏิกิริยาระหว่างแบคทีเรียที่สำคัญกับพืชและจุลินทรีย์อื่นๆ ภายในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุมสูง เช่น EcoFABs” Trent Northen นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley ของ Department of Energy กล่าว (เบิร์กลีย์ แลป) ซึ่งร่วมมือกับบาร์รังกู
“เรามองว่านี่เป็นกลไกในการช่วยไมโครไบโอม เราสามารถเปลี่ยนแปลงแบคทีเรียบางชนิดได้ และไมโครไบโอมที่เหลือยังคงไม่ได้รับบาดเจ็บ” Barrangou กล่าว “นี่เป็นการพิสูจน์แนวคิดที่สามารถนำไปใช้ในชุมชนจุลินทรีย์ที่ซับซ้อน ซึ่งสามารถแปลไปสู่สุขภาพของพืชที่ดีขึ้นและสุขภาพทางเดินอาหารที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมที่มีความสำคัญต่ออาหารและสุขภาพ
“ท้ายที่สุดแล้ว การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงบทต่อไปของการส่งมอบ CRISPR โดยใช้ไวรัสเพื่อส่งมอบเครื่องจักร CRISPR ในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน”
นักวิจัยวางแผนที่จะขยายงานนี้ต่อไปโดยการทดสอบเทคนิค phage CRISPR กับแบคทีเรียอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับดิน ที่สำคัญ สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าชุมชนจุลินทรีย์ในดินสามารถจัดการเพื่อควบคุมองค์ประกอบและการทำงานของแบคทีเรียที่เกี่ยวข้องกับพืชในระบบนิเวศประดิษฐ์ได้อย่างไร เพื่อทำความเข้าใจวิธีการเพิ่มการเจริญเติบโตของพืชและส่งเสริมสุขภาพของพืช ซึ่งเป็นที่สนใจในวงกว้างสำหรับการเกษตรแบบยั่งยืน
เงินทุนจัดทำโดย m-CAFEs Microbial Community Analysis & Functional Evalues in Soils ซึ่งเป็นพื้นที่มุ่งเน้นด้านวิทยาศาสตร์ นำโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley และได้รับการสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาภายใต้สัญญาหมายเลข 02 DE-AC05-11231CHXNUMX ด้วยความร่วมมืออันได้แก่ UC Berkeley และ Innovative Genomics Institute ผู้ร่วมเขียนบทความ ได้แก่ Nethery อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกของ NC State Claudio Hidalgo-Cantabrana และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ NC State Avery Roberts
(ค) กศน.
