Az új DNS -írási technika pontosan és hatékonyan szerkesztheti a bakteriális genomokat

Ezzel az új DNS -író rendszerrel pontosan és hatékonyan szerkeszthetjük a bakteriális genomokat, anélkül, hogy bármilyen szelekcióra szükség lenne, bonyolult bakteriális ökoszisztémákban. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy laboratóriumi beállításokon kívül genomszerkesztést és DNS -írást végezzünk, akár baktériumokat tervezzen, az érdekelt vonások in situ optimalizálása, vagy tanulmányozza a bakteriális populációk evolúciós dinamikáját és kölcsönhatásait. "

Fahim Farzadfard, a MIT korábbi posztdoktora és a lap vezető szerzője

Timothy Lu, az MIT villamosmérnöki és informatikai és biológiai mérnöki docense, a tanulmány vezető szerzője, amely ma jelenik meg Sejtrendszerek . Nava Gharaei, a Harvard Egyetem egykori végzős hallgatója, és Robert Citorik, volt MIT végzős hallgató, a tanulmány szerzői is.

Genomírás és emlékek rögzítése

Több éven keresztül, Lu laboratóriuma azon dolgozik, hogy miként lehet DNS -t tárolni olyan információk tárolására, mint például a sejtes események memóriája. 2014 -ben ő és Farzadfard kifejlesztettek egy módszert, amellyel a baktériumokat "genomikus magnóként" alkalmazhatják, "mérnöki E. coli olyan események hosszú távú emlékeinek tárolására, mint a vegyi expozíció.

Ennek eléréséhez, a kutatók úgy tervezték meg a sejteket, hogy előállítsák a retron nevű reverz transzkriptáz enzimet, amely a sejtekben expresszálva egyszálú DNS-t (ssDNS) termel, és egy rekombináz enzim, amely beillesztheti ("írhatja") az egyszálú DNS specifikus szekvenciáját a genom célzott helyére. Ezt a DNS -t csak akkor állítják elő, ha egy előre meghatározott molekula vagy más típusú bemenet aktiválja. mint például a fény. A DNS előállítása után a rekombináz beilleszti a DNS -t egy előre programozott helyre, ami bárhol lehet a genomban.

Azt a technikát, amit a kutatók SCRIBE -nek neveztek, viszonylag alacsony írási hatékonysággal rendelkezett. Minden generációban, 10 -ből, 000 E. coli sejtek, csak az egyik szerezné be azt az új DNS -t, amelyet a kutatók megpróbáltak beépíteni a sejtekbe. Ez részben azért van, mert a E. coli olyan sejtmechanizmusokkal rendelkeznek, amelyek megakadályozzák az egyszálú DNS felhalmozódását és beépítését a genomjukba.

Az új tanulmányban, a kutatók egyesek kiküszöbölésével próbálták fokozni a folyamat hatékonyságát E. coli ” s az egyszálú DNS elleni védekezési mechanizmusok. Első, letiltották az exonukleázoknak nevezett enzimeket, amelyek lebontják az egyszálú DNS-t. Kiütötték a géneket is, amelyek részt vettek a mismatch javításnak nevezett rendszerben, amely általában megakadályozza az egyszálú DNS integrációját a genomba.

Ezekkel a módosításokkal, a kutatóknak sikerült elérniük az általuk bevezetett genetikai változások szinte egyetemes beépítését, páratlan és hatékony módszert hoz létre a bakteriális genomok szerkesztésére anélkül, hogy szelekcióra lenne szükség.

"A javulás miatt, olyan alkalmazásokat tudtunk végrehajtani, amelyeket nem tudtunk a SCRIBE előző generációjával vagy más DNS -írási technológiákkal, - mondja Farzadfard.

Sejtes kölcsönhatások

2014 -es tanulmányukban a kutatók kimutatták, hogy a SCRIBE segítségével rögzíthetik egy adott molekula expozíciójának időtartamát és intenzitását. Új HiSCRIBE rendszerükkel nyomon tudják követni az ilyen típusú expozíciókat, valamint további típusú eseményeket, mint például a sejtek közötti kölcsönhatások.

Példaként, a kutatók kimutatták, hogy képesek követni a bakteriális konjugációnak nevezett folyamatot, amely során a baktériumok DNS -darabokat cserélnek. Egy DNS "vonalkód" integrálásával minden sejt genomjába, amelyek ezután más sejtekkel kicserélhetők, a kutatók meg tudják határozni, hogy mely sejtek léptek kölcsönhatásba egymással, DNS -jük szekvenálásával, hogy lássák, mely vonalkódokat hordozzák.

Ez a fajta feltérképezés segíthet a kutatóknak annak tanulmányozásában, hogy a baktériumok hogyan kommunikálnak egymással aggregátumokban, például biofilmeken belül. Ha hasonló megközelítést lehetne alkalmazni az emlőssejtekben, egyszer felhasználható más típusú sejtek, például idegsejtek közötti kölcsönhatások feltérképezésére, - mondja Farzadfard. Az idegi szinapszisokon áthaladó vírusokat be lehet programozni DNS vonalkódok hordozására, amelyeket a kutatók felhasználhatnak a neuronok közötti kapcsolatok nyomon követésére, új módot kínál az agy kapcsolatának feltérképezésére.

"A DNS -t használjuk a baktériumsejtek kölcsönhatásáról szóló térbeli információk rögzítésére, és talán a jövőben, megjelölt idegsejtek, - mondja Farzadfard.

A kutatók azt is kimutatták, hogy ezzel a technikával kifejezetten szerkeszthetik egy baktériumfaj genomját, sok fajból álló közösségben. Ebben az esetben, bevezették a galaktózt bontó enzim génjét E. coli számos más baktériumfajjal tenyésztett sejtek.

Ez a fajta-szelektív szerkesztés új módszert kínálhat arra, hogy az antibiotikum-rezisztens baktériumokat érzékenyebbé tegyük a meglévő gyógyszerekre, elnémítva rezisztencia génjeiket, - mondják a kutatók. Azonban, az ilyen kezelések kifejlesztése valószínűleg még több év kutatást igényel, azt mondják.

A kutatók azt is kimutatták, hogy ezzel a technikával olyan szintetikus ökoszisztémát tervezhetnek, amely baktériumokból és bakteriofágokból áll, és amelyek képesek folyamatosan átírni a genomjuk bizonyos szegmenseit, és önállóan fejlődni, gyorsabban, mint a természetes evolúció. Ebben az esetben, képesek voltak optimalizálni a sejtek laktózfogyasztási képességét.

"Ez a megközelítés használható a sejtvonások evolúciós tervezésére, vagy a kísérleti evolúciós tanulmányokban, lehetővé téve az evolúció felvételének újra és újra lejátszását, - mondja Farzadfard.

• A mobil intervenciós stroke csapat utazik a betegekhez, hogy gyorsabb hozzáférést biztosítson a sebészeti kezeléshez
• A Colney Norfolk falujáról elnevezett bakteriofágok segíthetnek a C. difficile fertőzések leküzdésében