Nauja DNR rašymo technika gali tiksliai ir efektyviai redaguoti bakterijų genomus

Su šia nauja DNR rašymo sistema, mes galime tiksliai ir efektyviai redaguoti bakterijų genomus, nereikalaujant jokios atrankos, sudėtingose ​​bakterijų ekosistemose. Tai leidžia mums atlikti genomo redagavimą ir DNR rašymą ne laboratorijoje, ar kurti bakterijas, optimizuoti dominančias savybes vietoje, arba ištirti evoliucinę dinamiką ir sąveiką bakterijų populiacijose ".

Fahimas Farzadfardas, buvęs MIT postdoktoras ir pagrindinis straipsnio autorius

Timothy Lu, MIT docentas elektros inžinerijos ir informatikos bei biologinės inžinerijos, yra vyresnysis tyrimo autorius, kuris pasirodo šiandien Ląstelių sistemos . Nava Gharaei, buvęs Harvardo universiteto magistrantas, ir Robertas Citorikas, buvęs MIT magistrantas, taip pat yra tyrimo autoriai.

Genomo rašymas ir prisiminimų įrašymas

Kelerius metus, Lu laboratorija ieško būdų, kaip panaudoti DNR, kad būtų galima saugoti informaciją, pvz., Ląstelių įvykių atmintį. 2014 m. jis ir Farzadfardas sukūrė būdą, kaip panaudoti bakterijas kaip „genominį magnetofoną“, "inžinerija E. coli išsaugoti ilgalaikius prisiminimus apie įvykius, tokius kaip cheminis poveikis.

Norėdami tai pasiekti, tyrėjai sukūrė ląsteles gaminti atvirkštinės transkriptazės fermentą, vadinamą retronu, kuris ląstelėse išreiškia viengrandę DNR (ssDNA), ir rekombinazės fermentas, kuri gali įterpti („parašyti“) konkrečią vienos grandinės DNR seką į tikslinę genomo vietą. Ši DNR gaminama tik tada, kai ją suaktyvina iš anksto nustatyta molekulė arba kitos rūšies įvestis, pavyzdžiui, šviesa. Pagaminus DNR, rekombinazė įterpia DNR į iš anksto užprogramuotą vietą, kuris gali būti bet kurioje genomo vietoje.

Ta technika, kurį mokslininkai pavadino SCRIBE, turėjo palyginti mažą rašymo efektyvumą. Kiekvienoje kartoje, iš 10, 000 E. coli ląstelės, tik vienas įgytų naują DNR, kurią tyrėjai bandė įtraukti į ląsteles. Iš dalies taip yra todėl, kad E. coli turi ląstelinius mechanizmus, neleidžiančius vienos grandinės DNR kaupti ir integruoti į jų genomus.

Naujajame tyrime tyrėjai bandė padidinti proceso efektyvumą, pašalindami kai kuriuos E. coli “ s gynybos mechanizmai nuo vienos grandinės DNR. Pirmas, jie išjungė fermentus, vadinamus eksonukleazėmis, kurie skaido viengrandę DNR. Jie taip pat išmušė genus, susijusius su sistema, vadinama neatitikimo taisymu, kuris paprastai neleidžia integruoti vienos grandinės DNR į genomą.

Su tais pakeitimais, tyrėjai sugebėjo pasiekti beveik visuotinį genetinių pokyčių, kuriuos jie bandė įvesti, įtraukimą, sukurti neprilygstamą ir veiksmingą bakterijų genomų redagavimo būdą be atrankos.

„Dėl to pagerėjimo, galėjome atlikti kai kurias programas, kurių negalėjome padaryti su ankstesnės kartos SCRIBE ar kitomis DNR rašymo technologijomis, “ - sako Farzadfardas.

Ląstelių sąveika

Savo 2014 m. tyrėjai parodė, kad jie gali naudoti SCRIBE, kad užfiksuotų konkrečios molekulės poveikio trukmę ir intensyvumą. Su nauja HiSCRIBE sistema, jie gali atsekti tokio tipo ekspozicijas ir papildomus įvykių tipus, pavyzdžiui, sąveika tarp ląstelių.

Kaip vieną pavyzdį, tyrėjai parodė, kad jie galėjo stebėti procesą, vadinamą bakterijų konjugacija, kurio metu bakterijos keičiasi DNR gabalėliais. Integruodamas DNR „brūkšninį kodą“ į kiekvienos ląstelės genomą, kurią vėliau galima pakeisti su kitomis ląstelėmis, tyrėjai gali nustatyti, kurios ląstelės sąveikauja tarpusavyje, sekos būdu nustatydamos jų DNR, kad pamatytų, kuriuos brūkšninius kodus jos turi.

Toks kartografavimas galėtų padėti tyrėjams ištirti, kaip bakterijos bendrauja tarpusavyje tokiuose agregatuose kaip bioplėvelės. Jei panašų metodą būtų galima taikyti žinduolių ląstelėse, kada nors jis galėtų būti naudojamas kitų tipų ląstelių, pvz., neuronų, sąveikai nustatyti, Sako Farzadfardas. Virusai, kurie gali kirsti nervų sinapses, gali būti užprogramuoti nešioti DNR brūkšninius kodus, kuriuos tyrėjai galėtų naudoti ryšiams tarp neuronų atsekti, siūlo naują būdą padėti susieti smegenų ryšį.

„Mes naudojame DNR kaip mechanizmą erdvinei informacijai apie bakterijų ląstelių sąveiką įrašyti, o gal ir ateityje, pažymėti neuronai, “ - sako Farzadfardas.

Tyrėjai taip pat parodė, kad jie galėtų naudoti šią techniką, norėdami specialiai redaguoti vienos rūšies bakterijų genomą daugelio rūšių bendruomenėje. Tokiu atveju, jie pristatė fermento, kuris skaido galaktozę, geną E. coli ląstelės, augančios kultūroje su keliomis kitomis bakterijų rūšimis.

Toks rūšies atrankinis redagavimas galėtų pasiūlyti naują būdą, kaip padaryti antibiotikams atsparias bakterijas jautresnes esamiems vaistams, nutildant jų atsparumo genus, sako tyrėjai. Tačiau, tokiam gydymui greičiausiai prireiks dar kelerių metų tyrimų, jie sako.

Tyrėjai taip pat parodė, kad jie galėtų naudoti šią techniką, kad sukurtų sintetinę ekosistemą, sudarytą iš bakterijų ir bakteriofagų, galinčių nuolat perrašyti tam tikrus jų genomo segmentus ir vystytis savarankiškai didesniu greičiu, nei būtų įmanoma natūraliai evoliucijai. Tokiu atveju, jie sugebėjo optimizuoti ląstelių gebėjimą vartoti laktozę.

"Šis metodas gali būti naudojamas evoliucinei ląstelių savybių inžinerijai, arba atliekant eksperimentinius evoliucijos tyrimus, leidžiant pakartoti evoliucijos juostą, “ - sako Farzadfardas.

• Mobilioji intervencinė insulto komanda keliauja pas pacientus, kad greičiau pasiektų chirurginį gydymą
• Bakteriofagai, pavadinti Kolnio Norfolko kaimo vardu, galėtų padėti kovoti su C. difficile infekcijomis