Die neue DNA-Schreibtechnik, die die Forscher HiSCRIBE nennen, ist viel effizienter als bisher entwickelte Systeme zur DNA-Editierung in Bakterien, die eine Erfolgsrate von nur etwa 1 von 10 hatten, 000 Zellen pro Generation. In einer neuen Studie Die Forscher zeigten, dass dieser Ansatz zum Speichern von Erinnerungen an zelluläre Interaktionen oder den räumlichen Standort verwendet werden könnte.
Diese Technik könnte es auch ermöglichen, selektiv zu bearbeiten, aktivieren Sie, oder Gene in bestimmten Bakterienarten, die in einer natürlichen Gemeinschaft leben, wie dem menschlichen Mikrobiom, zum Schweigen bringen, sagen die Forscher.
Mit diesem neuen DNA-Schreibsystem, Wir können Bakteriengenome ohne jegliche Form der Selektion präzise und effizient bearbeiten, innerhalb komplexer bakterieller Ökosysteme. Dies ermöglicht es uns, Genome Editing und DNA-Schreiben außerhalb von Laborumgebungen durchzuführen, ob man Bakterien manipulieren soll, Optimieren von interessanten Merkmalen in situ, oder die evolutionäre Dynamik und Interaktionen in den Bakterienpopulationen untersuchen."
Fahim Farzadfard, ehemaliger MIT-Postdoc und Hauptautor des Papers
Timothy Lu, ein MIT-Sonderprofessor für Elektrotechnik und Informatik sowie für Bioingenieurwesen, ist leitender Autor der Studie, die heute erscheint in Zellsysteme . Nava Gharaei, ein ehemaliger Doktorand an der Harvard University, und Robert Citorik, ein ehemaliger MIT-Student, sind auch Autoren der Studie.
Seit einigen Jahren, Lus Labor hat an Möglichkeiten gearbeitet, DNA zum Speichern von Informationen wie der Erinnerung an zelluläre Ereignisse zu verwenden. Im Jahr 2014, er und Farzadfard entwickelten einen Weg, Bakterien als "genomisches Tonbandgerät, " Maschinenbau E coli um Langzeiterinnerungen an Ereignisse wie eine chemische Exposition zu speichern.
Um das zu erreichen, Die Forscher haben die Zellen so konstruiert, dass sie ein Reverse-Transkriptase-Enzym namens Retron produzieren. die bei Expression in den Zellen eine einzelsträngige DNA (ssDNA) produziert, und ein Rekombinase-Enzym, die eine spezifische Sequenz einzelsträngiger DNA in eine Zielstelle im Genom einfügen ("schreiben") können. Diese DNA wird nur produziert, wenn sie durch die Anwesenheit eines vorbestimmten Moleküls oder einer anderen Art von Input aktiviert wird. wie zum Beispiel Licht. Nachdem die DNA produziert wurde, die Rekombinase fügt die DNA in eine vorprogrammierte Stelle ein, die überall im Genom sein kann.
Diese Technik, die die Forscher SCRIBE nannten, hatte eine relativ geringe Schreibeffizienz. In jeder Generation, aus 10, 000 E coli Zellen, nur einer würde die neue DNA erwerben, die die Forscher versuchten, in die Zellen einzubauen. Dies liegt zum Teil daran, dass die E coli haben zelluläre Mechanismen, die verhindern, dass einzelsträngige DNA angesammelt und in ihr Genom integriert wird.
In der neuen Studie Die Forscher versuchten, die Effizienz des Prozesses zu steigern, indem sie einige der E coli' s Abwehrmechanismen gegen einzelsträngige DNA. Zuerst, sie deaktivierten Enzyme, die Exonukleasen genannt werden, die einzelsträngige DNA abbauen. Sie haben auch Gene ausgeschaltet, die an einem System namens Mismatch-Reparatur beteiligt sind. die normalerweise die Integration einzelsträngiger DNA in das Genom verhindert.
Mit diesen Modifikationen den Forschern gelang eine nahezu universelle Einbindung der genetischen Veränderungen, die sie einzuführen versuchten, eine beispiellose und effiziente Methode zur Bearbeitung bakterieller Genome ohne die Notwendigkeit einer Selektion zu schaffen.
„Aufgrund dieser Verbesserung wir konnten einige Anwendungen durchführen, die wir mit der vorherigen Generation von SCRIBE oder mit anderen DNA-Schreibtechnologien nicht durchführen konnten, “, sagt Farzadfard.
In ihrer Studie aus dem Jahr 2014 Die Forscher zeigten, dass sie mit SCRIBE die Dauer und Intensität der Exposition gegenüber einem bestimmten Molekül aufzeichnen konnten. Mit ihrem neuen HiSCRIBE-System, Sie können diese Arten von Expositionen sowie zusätzliche Arten von Ereignissen verfolgen, wie Interaktionen zwischen Zellen.
Als ein Beispiel, Die Forscher zeigten, dass sie einen Prozess namens bakterielle Konjugation verfolgen konnten. bei denen Bakterien DNA-Stücke austauschen. Durch die Integration eines DNA-"Barcodes" in das Genom jeder Zelle, die dann mit anderen Zellen ausgetauscht werden können, die Forscher können feststellen, welche Zellen miteinander interagiert haben, indem sie ihre DNA sequenzieren, um zu sehen, welche Barcodes sie tragen.
Diese Art der Kartierung könnte Forschern helfen, zu untersuchen, wie Bakterien in Aggregaten wie Biofilmen miteinander kommunizieren. Wenn ein ähnlicher Ansatz in Säugerzellen angewendet werden könnte, Es könnte eines Tages verwendet werden, um Interaktionen zwischen anderen Zelltypen wie Neuronen, sagt Farzadfard. Viren, die neuronale Synapsen überqueren können, könnten so programmiert werden, dass sie DNA-Barcodes tragen, mit denen Forscher Verbindungen zwischen Neuronen verfolgen könnten. bietet eine neue Möglichkeit, das Konnektom des Gehirns zu kartieren.
„Wir nutzen DNA als Mechanismus, um räumliche Informationen über die Interaktion von Bakterienzellen aufzuzeichnen, und vielleicht in Zukunft, Neuronen, die markiert wurden, “, sagt Farzadfard.
Die Forscher zeigten auch, dass sie mit dieser Technik das Genom einer Bakterienart innerhalb einer Gemeinschaft vieler Arten gezielt bearbeiten können. In diesem Fall, Sie führten das Gen für ein Enzym ein, das Galaktose abbaut in E coli Zellen, die in Kultur mit mehreren anderen Bakterienarten wachsen.
Diese Art der speziesselektiven Bearbeitung könnte eine neue Möglichkeit bieten, antibiotikaresistente Bakterien anfälliger für bestehende Medikamente zu machen, indem ihre Resistenzgene zum Schweigen gebracht werden. sagen die Forscher. Jedoch, solche Behandlungen würden wahrscheinlich mehrere Jahre der Forschung erfordern, um sie zu entwickeln, Sie sagen.
Die Forscher zeigten auch, dass sie mit dieser Technik ein synthetisches Ökosystem aus Bakterien und Bakteriophagen entwickeln können, das bestimmte Abschnitte ihres Genoms kontinuierlich neu schreiben und sich autonom mit einer höheren Geschwindigkeit entwickeln kann, als dies durch die natürliche Evolution möglich wäre. In diesem Fall, sie konnten die Fähigkeit der Zellen, den Laktoseverbrauch zu konsumieren, optimieren.
„Dieser Ansatz könnte für das evolutionäre Engineering von zellulären Merkmalen verwendet werden, oder in experimentellen Evolutionsstudien, indem Sie das Band der Evolution immer wieder abspielen, “, sagt Farzadfard.
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