Nová technika zápisu DNA môže presne a efektívne upravovať bakteriálne genómy

Biologickí inžinieri z MIT navrhli nový spôsob efektívnej úpravy bakteriálnych genómov a programovania pamätí do bakteriálnych buniek prepísaním ich DNA. Použitím tohto prístupu, rôzne formy priestorových a časových informácií môžu byť trvalo uchovávané po generácie a získavané sekvenovaním DNA buniek.

Nová technika písania DNA, ktoré vedci nazývajú HiSCRIBE, je oveľa účinnejší ako predtým vyvinuté systémy na úpravu DNA v baktériách, ktorá mala úspešnosť iba asi 1 z 10, 000 buniek za generáciu. V novej štúdii vedci ukázali, že tento prístup by mohol byť použitý na ukladanie pamäte bunkových interakcií alebo priestorového umiestnenia.

Táto technika by tiež mohla umožniť selektívnu úpravu, Aktivovať, alebo umlčať gény v určitých druhoch baktérií žijúcich v prirodzenom spoločenstve, akým je ľudský mikrobióm, hovoria vedci.

S týmto novým systémom na zápis DNA dokážeme presne a efektívne upravovať bakteriálne genómy bez toho, aby sme potrebovali akúkoľvek formu selekcie, v komplexných bakteriálnych ekosystémoch. To nám umožňuje vykonávať úpravy genómu a zápis DNA mimo laboratórnych nastavení, či inžinierstvo baktérií, optimalizovať vlastnosti záujmu in situ, alebo študovať evolučnú dynamiku a interakcie v bakteriálnych populáciách. “

Fahim Farzadfard, bývalý postdoktorand MIT a hlavný autor príspevku

Timothy Lu, docent MIT pre elektrotechniku ​​a informatiku a biologické inžinierstvo, je hlavným autorom štúdie, ktorý sa dnes objavuje v Bunkové systémy . Nava Gharaei, bývalý absolvent Harvardskej univerzity, a Robert Citorik, bývalý absolvent MIT, sú tiež autormi štúdie.

Spomienky na zápis a záznam genómu

Niekoľko rokov, Luho laboratórium pracuje na spôsoboch použitia DNA na ukladanie informácií, ako je pamäť bunkových udalostí. V roku 2014 on a Farzadfard vyvinuli spôsob, ako využiť baktérie ako „genomický magnetofón, „strojárstvo E. coli uchovávať dlhodobé spomienky na udalosti, ako je expozícia chemikáliám.

Aby sa to dosiahlo, vedci skonštruovali bunky tak, aby produkovali enzým reverznej transkriptázy nazývaný retron, pri expresii v bunkách produkuje jednovláknovú DNA (ssDNA), a rekombinázový enzým, ktorý môže vložiť („zapísať“) špecifickú sekvenciu jednovláknovej DNA do cieľového miesta v genóme. Táto DNA je produkovaná iba vtedy, ak je aktivovaná prítomnosťou vopred určenej molekuly alebo iného typu vstupu, ako svetlo. Potom, čo sa vytvorí DNA, rekombináza vloží DNA do vopred naprogramovaného miesta, ktoré môžu byť kdekoľvek v genóme.

Tá technika, ktorú vedci nazvali SCRIBE, mal relatívne nízku účinnosť zápisu. V každej generácii z 10, 000 E. coli bunky, iba jeden by získal novú DNA, ktorú sa vedci pokúsili začleniť do buniek. Je to čiastočne preto, že E. coli majú bunkové mechanizmy, ktoré zabraňujú akumulácii jednovláknovej DNA a jej integrácii do ich genómov.

V novej štúdii vedci sa pokúsili zvýšiť účinnosť procesu odstránením niektorých z nich E. coli ' s obrannými mechanizmami proti jednovláknovej DNA. Najprv, deaktivovali enzýmy nazývané exonukleázy, ktoré štiepia jednovláknovú DNA. Vyrazili tiež gény zapojené do systému nazývaného oprava nesúladu, ktorý normálne bráni integrácii jednovláknovej DNA do genómu.

S týmito úpravami, vedci dokázali dosiahnuť takmer univerzálne začlenenie genetických zmien, ktoré sa pokúsili zaviesť, vytvorenie neporovnateľného a efektívneho spôsobu úpravy bakteriálnych genómov bez potreby výberu.

„Vďaka tomuto zlepšeniu boli sme schopní urobiť niektoré aplikácie, ktoré sme nedokázali s predchádzajúcou generáciou SCRIBE alebo s inými technológiami zápisu DNA, “Hovorí Farzadfard.

Bunkové interakcie

V ich štúdii z roku 2014 vedci ukázali, že pomocou SCRIBE môžu zaznamenať trvanie a intenzitu expozície konkrétnej molekule. Vďaka svojmu novému systému HiSCRIBE môžu sledovať tieto druhy expozícií, ako aj ďalšie typy udalostí, ako sú interakcie medzi bunkami.

Ako jeden príklad, vedci ukázali, že môžu sledovať proces nazývaný bakteriálna konjugácia, počas ktorého si baktérie vymieňajú kúsky DNA. Integrovaním „čiarového kódu“ DNA do genómu každej bunky ktoré je potom možné vymeniť za iné bunky, vedci môžu určiť, ktoré bunky medzi sebou interagovali, sekvenovaním ich DNA, aby zistili, ktoré čiarové kódy nesú.

Tento druh mapovania by mohol pomôcť vedcom študovať, ako baktérie medzi sebou komunikujú v rámci agregátov, ako sú biofilmy. Ak by sa podobný prístup dal uplatniť v bunkách cicavcov, jedného dňa by to mohlo byť použité na mapovanie interakcií medzi inými typmi buniek, ako sú neuróny, Hovorí Farzadfard. Vírusy, ktoré môžu prechádzať nervovými synapsami, by mohli byť naprogramované tak, aby niesli čiarové kódy DNA, ktoré by vedci mohli použiť na sledovanie spojení medzi neurónmi, ponúka nový spôsob, ako pomôcť zmapovať mozgový konektor.

„Používame DNA ako mechanizmus na zaznamenávanie priestorových informácií o interakcii bakteriálnych buniek, a možno v budúcnosti neuróny, ktoré boli označené, “Hovorí Farzadfard.

Vedci tiež ukázali, že môžu túto techniku ​​použiť na špecifickú úpravu genómu jedného druhu baktérií v spoločenstve mnohých druhov. V tomto prípade, zaviedli gén pre enzým, ktorý štiepi galaktózu na E. coli bunky rastúce v kultúre s niekoľkými ďalšími druhmi baktérií.

Tento druh druhovo selektívnej úpravy by mohol ponúknuť nový spôsob, ako zvýšiť odolnosť baktérií rezistentných voči antibiotikám na existujúce lieky umlčaním ich génov rezistencie, hovoria vedci. Avšak, takáto liečba by si pravdepodobne vyžiadala niekoľko rokov výskumu, aby sa vyvinul, hovoria.

Vedci tiež ukázali, že môžu použiť túto techniku ​​na skonštruovanie syntetického ekosystému vyrobeného z baktérií a bakteriofágov, ktoré môžu nepretržite prepisovať určité segmenty ich genómu a vyvíjať sa autonómne s rýchlosťou vyššou, ako by bola možná prirodzená evolúcia. V tomto prípade, dokázali optimalizovať schopnosť buniek konzumovať spotrebu laktózy.

"Tento prístup by mohol byť použitý na evolučné inžinierstvo bunkových znakov, alebo v štúdiách experimentálnej evolúcie tým, že vám umožní znova a znova prehrať kazetu evolúcie, “Hovorí Farzadfard.

• Mobilný tím pre intervenčnú mŕtvicu cestuje k pacientom, aby poskytli rýchlejší prístup k chirurgickej liečbe
• Bakteriofágy pomenované po dedine Colney v Norfolku by mohli pomôcť v boji proti infekciám C. difficile