罗利—— 称之为 CRISPR 难题。
细菌使用 CRISPR-Cas 系统作为适应性免疫系统来抵御病毒等敌人的攻击。 科学家们对这些系统进行了改造，以去除或剪切和替换多种生物体中的特定遗传密码序列。
[CRISPR-Cas 据美国国立卫生研究院称，这种适应性免疫系统存在于大多数细菌和古细菌中，可防止它们被噬菌体、病毒和其他外来遗传元件感染。]
鲁道夫·巴兰古（NCSU 照片）
但在一项新的研究中，北卡罗来纳州立大学的研究人员表明，用 CRISPR-Cas 系统设计的病毒可以阻碍细菌的防御，并对目标细菌进行选择性改变——即使其他细菌非常接近。
“病毒非常擅长传递有效负载。 在这里，我们使用细菌病毒，即噬菌体，将 CRISPR 传递给细菌，这很讽刺，因为细菌通常使用 CRISPR 来杀死病毒。” 鲁道夫·巴兰古北卡罗来纳州立大学食品、生物加工和营养科学系托德·R·克莱恩哈默 (Todd R. Klaenhammer) 杰出教授，也是今天发表在《自然》杂志上的一篇描述该研究的论文的通讯作者。 诉讼中的国家科学院院士。 “在这种情况下，病毒的目标是 E。大肠杆菌 通过向其传递DNA。 这就像使用病毒作为注射器。”
北卡罗来纳州立大学的研究人员部署了两种不同的工程噬菌体来传递 CRISPR-Cas 有效负载，用于靶向编辑 E。大肠杆菌，首先在试管中，然后在模拟土壤的合成土壤环境中——这是一个可以容纳多种细菌的复杂环境。
这两种工程化噬菌体（称为 T7 和 lambda）都成功找到了有效负载，然后将其传递到 E。大肠杆菌 实验台上的主持人。 这些有效负载表达细菌荧光基因并操纵细菌对抗生素的耐药性。
然后，研究人员使用 lambda 将所谓的胞嘧啶碱基编辑器传递给 E。大肠杆菌 主持人。 这种碱基编辑器只改变了 DNA 序列中的一个字母，而不是 CRISPR 有时对 DNA 序列进行严厉的切割。 大肠杆菌s DNA，显示系统的灵敏度和精确度。 这些变化使某些细菌基因失活，但没有做出其他改变 E。大肠杆菌.
“我们在这里使用碱基编辑器作为基因的一种可编程开关 E。大肠杆菌。 使用这样的系统，我们可以对基因组进行高度精确的单字母改变，而不会出现通常与 CRISPR-Cas 靶向相关的双链 DNA 断裂，”前北卡罗来纳州立大学博士 Matthew Nethery 说。 该研究的学生和主要作者。
最后，研究人员通过使用人造生态系统（EcoFAB）演示了现场编辑，该生态系统装载有沙子和石英的合成土壤介质以及液体，以模拟土壤环境。 研究人员还加入了三种不同类型的细菌来测试噬菌体是否能够特异性定位 E。大肠杆菌 在系统内。
“在实验室里，科学家可能会把事情过于简单化，”巴兰古说。 “最好对环境进行建模，因此我们想要检查现实生活中的环境，而不是试管中的汤。”
研究人员将 lambda 插入到构建的生态系统中。 发现效率很高 E。大肠杆菌 并进行有针对性的基因改变。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室科学家 Trent Northen 表示：“这项技术将使我们的团队和其他人能够在 EcoFAB 等高度受控的实验室环境中发现关键细菌与植物和其他微生物相互作用的遗传基础。” （伯克利实验室）与 Barrangou 合作。
“我们认为这是一种帮助微生物组的机制。 我们可以对一种特定的细菌进行改变，而其余的微生物组却毫发无损，”Barrangou 说。 “这是一个概念证明，可以应用于任何复杂的微生物群落，这可以转化为更好的植物健康和更好的胃肠道健康——对食物和健康至关重要的环境。
“最终，这项研究代表了 CRISPR 传递的新篇章——使用病毒在复杂的环境中传递 CRISPR 机制。”
研究人员计划通过其他与土壤相关的细菌测试噬菌体 CRISPR 技术来进一步推进这项工作。 重要的是，这说明了如何操纵土壤微生物群落来控制与人造生态系统中的植物相关的细菌的组成和功能，以了解如何促进植物生长和促进植物健康，这对可持续农业具有广泛的意义。
资金由 m-CAFEs 土壤微生物群落分析和功能评估提供，这是一个由劳伦斯伯克利国家实验室领导的科学重点领域，并得到美国能源部的支持，合同号为DE-AC02-05CH11231，与加州大学伯克利分校和创新基因组研究所等合作。 该论文的共同作者包括 Nethery、前北卡罗来纳州立大学博士后研究员克劳迪奥·伊达尔戈-坎塔布拉纳 (Claudio Hidalgo-Cantabrana) 和北卡罗来纳州立大学研究生艾弗里·罗伯茨 (Avery Roberts)。
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