De nieuwe DNA-schrijftechniek, die de onderzoekers HiSCRIBE noemen, is veel efficiënter dan eerder ontwikkelde systemen voor het bewerken van DNA in bacteriën, met een slagingspercentage van slechts ongeveer 1 op 10, 000 cellen per generatie. In een nieuwe studie, de onderzoekers toonden aan dat deze benadering kan worden gebruikt voor het opslaan van geheugen van cellulaire interacties of ruimtelijke locatie.
Deze techniek zou het ook mogelijk kunnen maken om selectief te bewerken, activeren, of genen tot zwijgen brengen in bepaalde soorten bacteriën die in een natuurlijke gemeenschap leven, zoals het menselijk microbioom, zeggen de onderzoekers.
Met dit nieuwe DNA-schrijfsysteem, we kunnen bacteriële genomen nauwkeurig en efficiënt bewerken zonder enige vorm van selectie, binnen complexe bacteriële ecosystemen. Dit stelt ons in staat om genoombewerking en DNA-schrijven uit te voeren buiten laboratoriumomgevingen, of je bacteriën moet manipuleren, eigenschappen van belang in situ optimaliseren, of bestudeer evolutionaire dynamiek en interacties in de bacteriële populaties."
Fahim Farzadfard, voormalig MIT-postdoc en hoofdauteur van de paper
Timoteüs Lu, een MIT universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica en biologische engineering, is de senior auteur van de studie, die vandaag verschijnt in celsystemen . Nava Gharaei, een voormalig afgestudeerde student aan de Harvard University, en Robert Citorik, een voormalig MIT-afgestudeerde student, zijn ook auteurs van de studie.
Voor meerdere jaren, Lu's lab heeft gewerkt aan manieren om DNA te gebruiken om informatie op te slaan, zoals het geheugen van cellulaire gebeurtenissen. In 2014, ontwikkelden hij en Farzadfard een manier om bacteriën te gebruiken als een "genomische bandrecorder, " Engineering E coli om langetermijnherinneringen aan gebeurtenissen zoals een blootstelling aan chemicaliën op te slaan.
Om dat te bereiken, de onderzoekers ontwikkelden de cellen om een reverse transcriptase-enzym genaamd retron te produceren, dat een enkelstrengs DNA (ssDNA) produceert wanneer het tot expressie wordt gebracht in de cellen, en een recombinase-enzym, die een specifieke sequentie van enkelstrengs DNA in een gerichte plaats in het genoom kan invoegen ("schrijven"). Dit DNA wordt alleen geproduceerd wanneer het wordt geactiveerd door de aanwezigheid van een vooraf bepaald molecuul of een ander type input, zoals licht. Nadat het DNA is aangemaakt, de recombinase voegt het DNA in op een voorgeprogrammeerde plaats, die overal in het genoom kan zijn.
die techniek, die de onderzoekers SCRIBE noemden, had een relatief lage schrijfefficiëntie. In elke generatie, van de 10, 000 E coli cellen, slechts één zou het nieuwe DNA verwerven dat de onderzoekers in de cellen probeerden op te nemen. Dit komt deels omdat de E coli hebben cellulaire mechanismen die voorkomen dat enkelstrengs DNA wordt geaccumuleerd en geïntegreerd in hun genomen.
In de nieuwe studie de onderzoekers probeerden de efficiëntie van het proces te verhogen door enkele E coli' afweermechanismen tegen enkelstrengs DNA. Eerst, ze schakelden enzymen uit die exonucleasen worden genoemd, die enkelstrengs DNA afbreken. Ze hebben ook genen uitgeschakeld die betrokken zijn bij een systeem dat mismatch-reparatie wordt genoemd, die normaal gesproken de integratie van enkelstrengs DNA in het genoom verhindert.
Met die aanpassingen, de onderzoekers waren in staat om een bijna universele opname te bereiken van de genetische veranderingen die ze probeerden te introduceren, het creëren van een ongeëvenaarde en efficiënte manier voor het bewerken van bacteriële genomen zonder de noodzaak van selectie.
“Door die verbetering we waren in staat om enkele toepassingen te doen die we niet konden doen met de vorige generatie van SCRIBE of met andere DNA-schrijftechnologieën, ' zegt Farzadfard.
In hun onderzoek uit 2014 de onderzoekers toonden aan dat ze met SCRIBE de duur en intensiteit van blootstelling aan een bepaald molecuul konden vastleggen. Met hun nieuwe HiSCRIBE-systeem, ze kunnen dat soort blootstellingen traceren, evenals andere soorten gebeurtenissen, zoals interacties tussen cellen.
Als een voorbeeld, de onderzoekers toonden aan dat ze een proces konden volgen dat bacteriële conjugatie wordt genoemd, waarbij bacteriën stukjes DNA uitwisselen. Door een DNA-barcode in het genoom van elke cel te integreren, die vervolgens kan worden uitgewisseld met andere cellen, de onderzoekers kunnen bepalen welke cellen met elkaar hebben gereageerd door hun DNA te sequencen om te zien welke streepjescodes ze dragen.
Dit soort mapping zou onderzoekers kunnen helpen om te bestuderen hoe bacteriën met elkaar communiceren binnen aggregaten zoals biofilms. Als een vergelijkbare benadering zou kunnen worden toegepast in zoogdiercellen, het zou ooit kunnen worden gebruikt om interacties tussen andere soorten cellen in kaart te brengen, zoals neuronen, zegt Farzadfard. Virussen die neurale synapsen kunnen passeren, kunnen worden geprogrammeerd om DNA-barcodes te dragen die onderzoekers kunnen gebruiken om verbindingen tussen neuronen te traceren, biedt een nieuwe manier om het connectoom van de hersenen in kaart te brengen.
"We gebruiken DNA als het mechanisme om ruimtelijke informatie over de interactie van bacteriële cellen vast te leggen, en misschien in de toekomst neuronen die zijn getagd, ' zegt Farzadfard.
De onderzoekers toonden ook aan dat ze deze techniek konden gebruiken om het genoom van één bacteriesoort specifiek te bewerken binnen een gemeenschap van vele soorten. In dit geval, ze introduceerden het gen voor een enzym dat galactose afbreekt in E coli cellen groeien in cultuur met verschillende andere soorten bacteriën.
Dit soort soortselectieve bewerking zou een nieuwe manier kunnen bieden om antibioticaresistente bacteriën vatbaarder te maken voor bestaande medicijnen door hun resistentiegenen tot zwijgen te brengen, zeggen de onderzoekers. Echter, dergelijke behandelingen zouden waarschijnlijk nog jaren van onderzoek vergen om zich te ontwikkelen, ze zeggen.
De onderzoekers toonden ook aan dat ze deze techniek konden gebruiken om een synthetisch ecosysteem van bacteriën en bacteriofagen te ontwikkelen dat continu bepaalde segmenten van hun genoom kan herschrijven en autonoom kan evolueren met een snelheid die hoger is dan mogelijk zou zijn door natuurlijke evolutie. In dit geval, ze waren in staat om het vermogen van de cellen om de lactoseconsumptie te consumeren te optimaliseren.
"Deze benadering kan worden gebruikt voor evolutionaire engineering van cellulaire eigenschappen, of in experimentele evolutiestudies door je de band van evolutie steeds opnieuw te laten afspelen, ' zegt Farzadfard.
Tests gebruikt voor GERD-diagnose
GSK-3-remmers zijn veelbelovend bij de behandeling van coronavirusinfecties
Microbioom kan helpen bij het identificeren van pre-kankerrisico bij vrouwen met HPV
Studie onthult antivirale effecten van curcumine
FLUOstar Omega gebruiken om nieuwe darmbacteriën te bestuderen die onze gezondheid kunnen beïnvloeden
Menselijke coronavirussen hebben organische materialen nodig om efficiënt tussen oppervlakken te kunnen worden overgedragen
Vaginale bacteriën gekoppeld aan vroeggeboorte
Een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Grenzen in de microbiologie in april 2020 meldt dat vrouwen die vroeg bevallen meer kans hebben op een grotere verscheidenheid aan bacteriën in hun
Schimmels en bacteriën in de darm kunnen evenzeer van invloed zijn op de menselijke gezondheid als op de ernst van de ziekte
Het darmmicrobioom heeft veel aandacht gekregen, maar nieuw onderzoek toont aan dat schimmels in de darm ook een belangrijk micro-organisme zijn voor het functioneren en de gezondheid van de darm, wat
Type 1 diabetes gekoppeld aan darmmicrobioom en genetische factoren
Een nieuwe studie van de Lingköping University in Zweden en de University of Florida heeft aangetoond dat het darmmicrobioom van kinderen met een hoog genetisch risico op het ontwikkelen van diabetes