Den nye DNA -skriveteknik, som forskerne kalder HiSCRIBE, er meget mere effektivt end tidligere udviklede systemer til redigering af DNA i bakterier, som kun havde en succesrate på cirka 1 ud af 10, 000 celler pr. Generation. I en ny undersøgelse, forskerne demonstrerede, at denne fremgangsmåde kunne bruges til lagring af hukommelse af cellulære interaktioner eller rumlig placering.
Denne teknik kunne også gøre det muligt selektivt at redigere, aktivere, eller tavse gener i visse bakteriearter, der lever i et naturligt samfund, såsom det menneskelige mikrobiom, siger forskerne.
Med dette nye DNA -skrivesystem, vi kan præcist og effektivt redigere bakterielle genomer uden behov for nogen form for selektion, inden for komplekse bakterielle økosystemer. Dette gør det muligt for os at udføre genomredigering og DNA -skrivning uden for laboratorieindstillinger, om man skal konstruere bakterier, optimere træk af interesse in situ, eller studere evolutionær dynamik og interaktioner i bakteriepopulationerne. "
Fahim Farzadfard, tidligere MIT postdoc og hovedforfatter af papiret
Timothy Lu, en MIT -lektor i elektroteknik og datalogi og biologisk teknik, er seniorforfatter af undersøgelsen, som vises i dag i Cellesystemer . Nava Gharaei, en tidligere kandidatstuderende ved Harvard University, og Robert Citorik, en tidligere MIT -kandidatstuderende, er også forfattere til undersøgelsen.
For flere år, Lu's laboratorium har arbejdet med måder at bruge DNA til at gemme oplysninger såsom hukommelse til cellulære begivenheder. I 2014, han og Farzadfard udviklede en måde at anvende bakterier på som en "genomisk båndoptager, " ingeniørarbejde E coli at gemme langsigtede minder om begivenheder, såsom en kemisk eksponering.
For at opnå det, forskerne konstruerede cellerne til at producere et revers transkriptaseenzym kaldet retron, som producerer et enkeltstrenget DNA (ssDNA) når det udtrykkes i cellerne, og et rekombinaseenzym, som kan indsætte ("skrive") en specifik sekvens af enkeltstrenget DNA i et målrettet sted i genomet. Dette DNA produceres kun, når det aktiveres af tilstedeværelsen af et forudbestemt molekyle eller en anden type input, såsom lys. Efter at DNA'et er produceret, rekombinasen indsætter DNA'et i et forprogrammeret sted, som kan være overalt i genomet.
Den teknik, som forskerne kaldte SCRIBE, havde en relativt lav skriveeffektivitet. I hver generation, ud af 10, 000 E coli celler, kun én ville erhverve det nye DNA, som forskerne forsøgte at inkorporere i cellerne. Dette skyldes dels, at E coli har cellulære mekanismer, der forhindrer enkeltstrenget DNA i at blive akkumuleret og integreret i deres genomer.
I den nye undersøgelse, forskerne forsøgte at øge effektiviteten af processen ved at fjerne nogle af E coli' s forsvarsmekanismer mod enkeltstrenget DNA. Først, de deaktiverede enzymer kaldet exonukleaser, som nedbryder enkeltstrenget DNA. De slog også gener ud, der er involveret i et system kaldet mismatch -reparation, som normalt forhindrer integration af enkeltstrenget DNA i genomet.
Med disse ændringer, forskerne var i stand til at opnå næsten universel inkorporering af de genetiske ændringer, som de forsøgte at indføre, skabe en enestående og effektiv måde til redigering af bakterielle genomer uden behov for selektion.
"På grund af den forbedring, vi var i stand til at lave nogle applikationer, som vi ikke var i stand til at gøre med den tidligere generation af SCRIBE eller med andre DNA -skriveteknologier, ”Siger Farzadfard.
I deres undersøgelse fra 2014 forskerne viste, at de kunne bruge SCRIBE til at registrere varigheden og intensiteten af eksponering for et specifikt molekyle. Med deres nye HiSCRIBE system, de kan spore den slags eksponeringer samt yderligere typer begivenheder, såsom interaktioner mellem celler.
Som et eksempel, forskerne viste, at de kunne spore en proces kaldet bakteriel konjugering, hvor bakterier udveksler stykker DNA. Ved at integrere en DNA "stregkode" i hver celles genom, som derefter kan udveksles med andre celler, forskerne kan bestemme, hvilke celler der har interageret med hinanden ved at sekvensere deres DNA for at se, hvilke stregkoder de bærer.
Denne form for kortlægning kan hjælpe forskere med at studere, hvordan bakterier kommunikerer med hinanden inden for aggregater som f.eks. Biofilm. Hvis en lignende tilgang kunne anvendes i pattedyrsceller, det kunne en dag bruges til at kortlægge interaktioner mellem andre celletyper, såsom neuroner, Siger Farzadfard. Vira, der kan krydse neurale synapser, kan programmeres til at bære DNA -stregkoder, som forskere kan bruge til at spore forbindelser mellem neuroner, tilbyder en ny måde at hjælpe med at kortlægge hjernens forbindelse.
"Vi bruger DNA som mekanisme til at registrere rumlig information om interaktionen mellem bakterieceller, og måske i fremtiden neuroner, der er blevet mærket, ”Siger Farzadfard.
Forskerne viste også, at de kunne bruge denne teknik til specifikt at redigere genomet for en bakterieart inden for et fællesskab af mange arter. I dette tilfælde, de introducerede genet for et enzym, der nedbryder galactose til E coli celler, der vokser i kultur med flere andre bakteriearter.
Denne art artselektiv redigering kan tilbyde en ny måde at gøre antibiotikaresistente bakterier mere modtagelige for eksisterende lægemidler ved at dæmpe deres resistensgener, siger forskerne. Imidlertid, sådanne behandlinger vil sandsynligvis kræve flere år flere års forskning at udvikle, de siger.
Forskerne viste også, at de kunne bruge denne teknik til at konstruere et syntetisk økosystem lavet af bakterier og bakteriofager, der kontinuerligt kan omskrive visse segmenter af deres genom og udvikle sig autonomt med en hastighed, der er højere end naturlig udvikling. I dette tilfælde, de var i stand til at optimere cellernes evne til at forbruge laktoseforbrug.
"Denne fremgangsmåde kunne bruges til evolutionær konstruktion af cellulære egenskaber, eller i eksperimentelle evolutionstudier ved at give dig mulighed for at afspille evolutionens bånd igen og igen, ”Siger Farzadfard.
Stærkt mikrobiom i det tidlige liv forbundet med færre luftvejsinfektioner
Scientific Symposium på LABVOLUTION fokuserer på centrale spørgsmål inden for biovidenskab
Forskere udvinder komplet menneskeligt genom fra et tusindvis af år gammelt "tyggegummi"
Husholdningsdesinfektionsmidler kan bidrage til fedmerisiko hos børn
Dysbiose i tarmmikrobiota kan forårsage alvorlig sekundær infektion hos COVID-19-patienter
SARS-CoV N-protein fremkalder produktion af IFN-β ved at fremkalde ubiquitination af RIG-I,
Økologiske æbler har probiotiske egenskaber
Et æble om dagen ... siger det gamle ordsprog. Det ser ud til, at alle er enige, at dømme efter nummer 1 -positionen, som æbler holder blandt frugter verden over, med 83 millioner æbler hvert år. En
Menneskelige coronavirus har brug for organiske materialer for effektivt at overføre mellem overflader
Det alvorlige akutte respiratoriske syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2) har hurtigt inficeret over 191 millioner individer verden over siden dets fremkomst i slutningen af december 2019. Viruset forå
Gasdetekterende elektronisk pille til diagnose af mave -tarmsygdomme
Forskere fra RMIT University, Melbourne, har lavet en elektronisk pille, der kan registrere særlige gasser i tarmen og hjælpe læger med at diagnosticere mave -tarmsygdomme som irritabel tarm.