QUYỀN BÁN - Gọi nó là một câu hỏi hóc búa CRISPR.
Vi khuẩn sử dụng hệ thống CRISPR-Cas làm hệ thống miễn dịch thích ứng để chống lại các cuộc tấn công từ kẻ thù như vi-rút. Các hệ thống này đã được các nhà khoa học điều chỉnh để loại bỏ hoặc cắt và thay thế các chuỗi mã di truyền cụ thể trong nhiều loại sinh vật.
[CRISPR-Cas là một hệ thống miễn dịch thích nghi tồn tại ở hầu hết các vi khuẩn và vi khuẩn cổ, giúp chúng không bị nhiễm các thể thực khuẩn, vi rút và các yếu tố di truyền ngoại lai khác, theo Viện Y tế Quốc gia.]
Rodolphe Barrangou (Ảnh NCSU)
Nhưng trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu của Đại học bang North Carolina đã chỉ ra rằng virus được thiết kế bằng hệ thống CRISPR-Cas có thể ngăn chặn khả năng phòng vệ của vi khuẩn và tạo ra những thay đổi có chọn lọc đối với vi khuẩn được nhắm mục tiêu – ngay cả khi các vi khuẩn khác ở gần.
“Virus rất giỏi trong việc phân phối tải trọng. Ở đây, chúng tôi sử dụng vi-rút vi khuẩn, thể thực khuẩn, để cung cấp CRISPR cho vi khuẩn, điều này thật mỉa mai vì vi khuẩn thường sử dụng CRISPR để tiêu diệt vi-rút,” cho biết Rodolphe Barrangou, Giáo sư xuất sắc về khoa học thực phẩm, chế biến sinh học và dinh dưỡng Todd R. Klaenhammer tại NC State và là tác giả tương ứng của bài báo mô tả nghiên cứu được công bố ngày hôm nay trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. “Vi rút trong trường hợp này nhắm mục tiêu E. coli bằng cách cung cấp DNA cho nó. Nó giống như sử dụng virus như một ống tiêm vậy.”
Các nhà nghiên cứu của NC State đã triển khai hai thể thực khuẩn được thiết kế khác nhau để cung cấp tải trọng CRISPR-Cas để chỉnh sửa mục tiêu E. coli, đầu tiên là trong ống nghiệm và sau đó là trong môi trường đất tổng hợp được tạo ra để bắt chước đất – một môi trường phức tạp có thể chứa nhiều loại vi khuẩn.
Cả hai thể thực khuẩn đã được thiết kế, được gọi là T7 và lambda, đã tìm thấy thành công và sau đó chuyển các trọng tải đến E. coli máy chủ trên băng ghế phòng thí nghiệm. Những tải trọng này thể hiện các gen huỳnh quang của vi khuẩn và điều khiển khả năng kháng kháng sinh của vi khuẩn.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng lambda để cung cấp cái gọi là trình chỉnh sửa cơ sở cytosine cho E. coli chủ nhà. Thay vì sự phân tách trình tự DNA đôi khi khắc nghiệt của CRISPR, trình chỉnh sửa cơ sở này chỉ thay đổi một chữ cái của E coli'của DNA, cho thấy độ nhạy và độ chính xác của hệ thống. Những thay đổi này làm bất hoạt một số gen vi khuẩn mà không tạo ra những thay đổi khác đối với E. coli.
“Chúng tôi đã sử dụng một trình chỉnh sửa cơ sở ở đây như một loại công tắc bật tắt có thể lập trình cho các gen trong E. coli. Bằng cách sử dụng một hệ thống như thế này, chúng tôi có thể thực hiện các thay đổi một chữ cái có độ chính xác cao đối với bộ gen mà không làm đứt gãy chuỗi DNA kép thường liên quan đến việc nhắm mục tiêu CRISPR-Cas,” Matthew Nethery, cựu tiến sĩ NC State cho biết. sinh viên và tác giả chính của nghiên cứu.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng chỉnh sửa tại chỗ thông qua việc sử dụng hệ sinh thái nhân tạo (EcoFAB) chứa môi trường đất tổng hợp gồm cát và thạch anh, cùng với chất lỏng, để bắt chước môi trường đất. Các nhà nghiên cứu cũng bao gồm ba loại vi khuẩn khác nhau để kiểm tra xem phage có thể xác định vị trí cụ thể hay không. E. coli bên trong hệ thống.
“Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học có thể đơn giản hóa mọi thứ,” Barrangou nói. “Mô hình môi trường thích hợp hơn, vì vậy thay vì nấu canh trong ống nghiệm, chúng tôi muốn kiểm tra môi trường thực tế.”
Các nhà nghiên cứu đã chèn lambda vào hệ sinh thái được chế tạo. Nó cho thấy hiệu quả tốt trong việc tìm kiếm E. coli và thực hiện các thay đổi di truyền được nhắm mục tiêu.
Trent Northen, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng cho biết: “Công nghệ này sẽ cho phép nhóm của chúng tôi và những người khác khám phá cơ sở di truyền của các tương tác chính của vi khuẩn với thực vật và các vi khuẩn khác trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ như EcoFABs”. (Berkeley Lab), người cộng tác với Barrangou.
“Chúng tôi coi đây là một cơ chế hỗ trợ hệ vi sinh vật. Chúng tôi có thể thay đổi một loại vi khuẩn cụ thể và phần còn lại của hệ vi sinh vật vẫn không bị tổn hại,” Barrangou nói. “Đây là một bằng chứng về khái niệm có thể được sử dụng trong bất kỳ cộng đồng vi sinh vật phức tạp nào, có thể chuyển thành sức khỏe thực vật tốt hơn và sức khỏe đường tiêu hóa tốt hơn – môi trường quan trọng đối với thực phẩm và sức khỏe.
“Cuối cùng, nghiên cứu này đại diện cho chương tiếp theo của việc cung cấp CRISPR – sử dụng vi-rút để cung cấp máy móc CRISPR trong một môi trường phức tạp.”
Các nhà nghiên cứu có kế hoạch tiếp tục công việc này bằng cách thử nghiệm kỹ thuật CRISPR của thể thực khuẩn với các vi khuẩn liên quan đến đất khác. Điều quan trọng là, điều này minh họa cách các cộng đồng vi sinh vật đất có thể được điều khiển để kiểm soát thành phần và chức năng của vi khuẩn liên quan đến thực vật trong các hệ sinh thái được chế tạo để hiểu cách tăng cường sự phát triển của thực vật và tăng cường sức khỏe của thực vật, vốn là mối quan tâm rộng rãi đối với nền nông nghiệp bền vững.
Tài trợ được cung cấp bởi Phân tích chức năng & Phân tích cộng đồng vi sinh vật m-CAFEs trong đất, Lĩnh vực trọng tâm khoa học do Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley dẫn đầu và được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hỗ trợ theo hợp đồng số. DE-AC02-05CH11231, với những nỗ lực hợp tác bao gồm UC Berkeley và Viện Genomics Sáng tạo. Các đồng tác giả của bài báo bao gồm Nethery, cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của Bang NC, Claudio Hidalgo-Cantabrana và sinh viên tốt nghiệp của Bang NC, Avery Roberts.
(C) NCSU
