Uusi DNA -kirjoitustekniikka voi muokata tarkasti ja tehokkaasti bakteerien genomeja

Tämän uuden DNA -kirjoitusjärjestelmän avulla voimme muokata tarkasti ja tehokkaasti bakteerien genomeja ilman minkäänlaista valintaa, monimutkaisten bakteerien ekosysteemeissä. Tämän avulla voimme tehdä genomin muokkausta ja DNA:n kirjoittamista laboratorioasetusten ulkopuolella, suunnitellaanko bakteereja, optimoi kiinnostavat piirteet in situ, tai tutkia evoluutiodynamiikkaa ja vuorovaikutusta bakteeripopulaatioissa. "

Fahim Farzadfard, entinen MIT -tutkija ja pääkirjailija

Timothy Lu, MIT:n sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen ja biologisen tekniikan apulaisprofessori, on tutkimuksen vanhempi kirjoittaja, joka ilmestyy tänään Solujärjestelmät . Nava Gharaei, entinen jatko -opiskelija Harvardin yliopistossa, ja Robert Citorik, entinen MIT -tutkija, ovat myös tutkimuksen tekijöitä.

Genomin kirjoittaminen ja muistojen tallentaminen

Useiden vuosien ajan Lu -laboratorio on työskennellyt tavoilla, joilla DNA:ta voidaan tallentaa esimerkiksi solutapahtumien muistiin. Vuonna 2014 hän ja Farzadfard kehittivät tavan käyttää bakteereja "genomisena nauhurina", "tekniikka E. coli tallentaa pitkäaikaisia ​​muistoja tapahtumista, kuten kemiallisesta altistumisesta.

Sen saavuttamiseksi, tutkijat suunnittelivat solut tuottamaan käänteiskopioijaentsyymiä, nimeltään retron, joka tuottaa yksijuosteista DNA:ta (ssDNA) ilmentyessään soluissa, ja rekombinaasientsyymi, joka voi lisätä ("kirjoittaa") tietyn yksijuosteisen DNA:n sekvenssin genomin kohdepaikkaan. Tämä DNA tuotetaan vain, kun se aktivoidaan ennalta määrätyn molekyylin tai muun syötteen läsnä ollessa, kuten valo. Kun DNA on tuotettu, rekombinaasi lisää DNA:n esiohjelmoituun kohtaan, joka voi olla missä tahansa genomissa.

Tuo tekniikka, jota tutkijat kutsuivat SCRIBE:ksi, oli suhteellisen alhainen kirjoitustehokkuus. Jokaisessa sukupolvessa, 10:stä, 000 E. coli solut, vain yksi hankkisi uuden DNA:n, jonka tutkijat yrittivät sisällyttää soluihin. Tämä johtuu osittain siitä, että E. coli on solumekanismeja, jotka estävät yksijuosteisen DNA:n kerääntymisen ja integroitumisen genomiinsa.

Uudessa tutkimuksessa tutkijat yrittivät tehostaa prosessia poistamalla joitakin E. coli ' s puolustusmekanismeja yksijuosteista DNA:ta vastaan. Ensimmäinen, he poistivat entsyymit, joita kutsutaan eksonukleaaseiksi, jotka hajottavat yksijuosteisen DNA:n. He myös tyrmäsivät geenit, jotka osallistuivat järjestelmään, jota kutsutaan yhteensopimattomuuden korjaamiseksi, joka yleensä estää yksijuosteisen DNA:n integroitumisen genomiin.

Näillä muutoksilla, tutkijat pystyivät saavuttamaan lähes yleismaailmallisen yhdistelmän geneettisistä muutoksista, joita he yrittivät tuoda, luoda vertaansa vailla oleva ja tehokas tapa muokata bakteerien genomeja ilman valintaa.

"Parannuksen takia, pystyimme tekemään joitain sovelluksia, joita emme pystyneet tekemään edellisen sukupolven SCRIBE:n tai muiden DNA -kirjoitustekniikoiden kanssa, "Farzadfard sanoo.

Solujen vuorovaikutus

Vuoden 2014 tutkimuksessaan tutkijat osoittivat, että he voisivat käyttää SCRIBE:tä tallentaakseen tietylle molekyylille altistumisen keston ja voimakkuuden. Uuden HiSCRIBE -järjestelmänsä ansiosta he voivat jäljittää tällaisia ​​altistuksia sekä muita tapahtumatyyppejä, kuten solujen välinen vuorovaikutus.

Esimerkkinä esim. tutkijat osoittivat pystyvänsä seuraamaan prosessia, jota kutsutaan bakteerikonjugaatioksi, jonka aikana bakteerit vaihtavat DNA -palasia. Integroimalla DNA -"viivakoodi" jokaisen solun genomiin, jotka voidaan sitten vaihtaa muiden solujen kanssa, tutkijat voivat määrittää, mitkä solut ovat olleet vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, sekvensoimalla niiden DNA nähdäkseen, mitkä viivakoodit ne sisältävät.

Tällainen kartoitus voisi auttaa tutkijoita tutkimaan, kuinka bakteerit kommunikoivat keskenään aggregaattien, kuten biokalvojen, sisällä. Jos samanlaista lähestymistapaa voitaisiin käyttää nisäkässoluissa, sitä voitaisiin käyttää jonain päivänä muun tyyppisten solujen, kuten neuronien, välisen vuorovaikutuksen kartoittamiseen, Farzadfard sanoo. Virukset, jotka voivat ylittää hermosynapsit, voitaisiin ohjelmoida kuljettamaan DNA -viivakoodeja, joita tutkijat voisivat käyttää jäljittämään yhteyksiä neuronien välillä, tarjoaa uuden tavan auttaa kartoittamaan aivojen yhteyksiä.

"Käytämme DNA:ta mekanismina tallentamaan paikkatietoja bakteerisolujen vuorovaikutuksesta, ja ehkä tulevaisuudessa, merkityt neuronit, "Farzadfard sanoo.

Tutkijat osoittivat myös, että he voisivat käyttää tätä tekniikkaa erityisesti muokkaamaan yhden bakteerilajin genomia monien lajien yhteisössä. Tässä tapauksessa, he esittivät geenin entsyymille, joka hajottaa galaktoosin E. coli solut, jotka kasvavat viljelmässä useiden muiden bakteerilajien kanssa.

Tällainen lajiselektiivinen muokkaus voisi tarjota uuden tavan tehdä antibioottiresistentteistä bakteereista alttiimpia olemassa oleville lääkkeille vaimentamalla niiden resistenssigeenit, tutkijat sanovat. Kuitenkin, tällaisten hoitojen kehittäminen vaatisi todennäköisesti useita vuosia lisää tutkimusta, he sanovat.

Tutkijat osoittivat myös, että he voisivat käyttää tätä tekniikkaa rakentaakseen bakteereista ja bakteriofageista koostuvan synteettisen ekosysteemin, joka voi jatkuvasti kirjoittaa tiettyjä genomisegmenttejä ja kehittyä itsenäisesti nopeammin kuin luonnollisen evoluution ansiosta. Tässä tapauksessa, he pystyivät optimoimaan solujen kyvyn kuluttaa laktoosia.

"Tätä lähestymistapaa voitaisiin käyttää solupiirteiden evoluutiotekniikkaan, tai kokeellisissa evoluutiotutkimuksissa, jolloin voit toistaa evoluution nauhan uudelleen ja uudelleen, "Farzadfard sanoo.

• Mobiili interventiohoitoryhmä matkustaa potilaiden luo nopeamman kirurgisen hoidon saamiseksi
• Bakteriofagit, jotka on nimetty Colneyn Norfolkin kylän mukaan, voisivat auttaa torjumaan C. difficile -infektioita