Den nya tekniken för DNA -skrivning, som forskarna kallar HiSCRIBE, är mycket effektivare än tidigare utvecklade system för redigering av DNA i bakterier, som hade en framgångsfrekvens på endast cirka 1 av 10, 000 celler per generation. I en ny studie, forskarna visade att detta tillvägagångssätt kan användas för att lagra minne av cellulära interaktioner eller rumslig plats.
Denna teknik kan också göra det möjligt att selektivt redigera, Aktivera, eller tysta gener i vissa bakteriearter som lever i ett naturligt samhälle som det mänskliga mikrobiomet, säger forskarna.
Med detta nya DNA -skrivningssystem, vi kan exakt och effektivt redigera bakteriella genom utan att behöva någon form av selektion, inom komplexa bakteriella ekosystem. Detta gör att vi kan utföra genomredigering och DNA -skrivning utanför laboratorieinställningar, om man ska utveckla bakterier, optimera egenskaper av intresse in situ, eller studera evolutionär dynamik och interaktioner i bakteriepopulationerna. "
Fahim Farzadfard, tidigare MIT postdoc och huvudförfattare till tidningen
Timothy Lu, en MIT -docent i elektroteknik och datavetenskap och biologisk teknik, är seniorförfattare till studien, som visas idag i Cellsystem . Nava Gharaei, en tidigare doktorand vid Harvard University, och Robert Citorik, en tidigare MIT -doktorand, är också författare till studien.
För några år, Lus laboratorium har arbetat med sätt att använda DNA för att lagra information såsom minne av cellulära händelser. Under 2014, han och Farzadfard utvecklade ett sätt att använda bakterier som en "genomisk bandspelare, "teknik E coli för att lagra långsiktiga minnen av händelser som en kemisk exponering.
För att uppnå det, forskarna konstruerade cellerna för att producera ett revers transkriptasenzym som kallas retron, som producerar ett enkelsträngat DNA (ssDNA) när det uttrycks i cellerna, och ett rekombinasenzym, som kan infoga ("skriva") en specifik sekvens av enkelsträngat DNA i en riktad plats i genomet. Detta DNA produceras endast när det aktiveras av närvaron av en förutbestämd molekyl eller annan typ av ingång, som ljus. Efter att DNA har producerats, rekombinaset sätter in DNA:t i ett förprogrammerat ställe, som kan vara var som helst i genomet.
Den tekniken, som forskarna kallade SCRIBE, hade en relativt låg skriveffektivitet. I varje generation, av 10, 000 E coli celler, bara en skulle förvärva det nya DNA som forskarna försökte införliva i cellerna. Detta beror delvis på att E coli har cellulära mekanismer som förhindrar att enkelsträngat DNA ackumuleras och integreras i deras genomer.
I den nya studien, forskarna försökte öka effektiviteten i processen genom att eliminera några av E coli' s försvarsmekanismer mot enkelsträngat DNA. Först, de inaktiverade enzymer som kallas exonukleaser, som bryter ner enkelsträngat DNA. De slog också ut gener som är inblandade i ett system som kallas mismatch -reparation, som normalt förhindrar integration av enkelsträngat DNA i genomet.
Med dessa ändringar, forskarna kunde uppnå nästan universell införlivande av de genetiska förändringar som de försökte införa, skapa ett oöverträffat och effektivt sätt att redigera bakteriella genom utan att behöva välja.
"På grund av den förbättringen, vi kunde göra några applikationer som vi inte kunde göra med den tidigare generationen SCRIBE eller med andra tekniker för DNA -skrivning, "Säger Farzadfard.
I deras studie 2014 forskarna visade att de kunde använda SCRIBE för att registrera varaktigheten och intensiteten av exponering för en specifik molekyl. Med deras nya HiSCRIBE -system, de kan spåra dessa typer av exponeringar samt ytterligare typer av händelser, såsom interaktioner mellan celler.
Som ett exempel, forskarna visade att de kunde spåra en process som kallas bakteriell konjugering, under vilken bakterier utbyter bitar av DNA. Genom att integrera en DNA "streckkod" i varje cells genom, som sedan kan utbytas med andra celler, forskarna kan avgöra vilka celler som har interagerat med varandra genom att sekvensera deras DNA för att se vilka streckkoder de bär.
Denna typ av kartläggning kan hjälpa forskare att studera hur bakterier kommunicerar med varandra inom aggregat som biofilm. Om ett liknande tillvägagångssätt skulle kunna användas i däggdjursceller, det kan en dag användas för att kartlägga interaktioner mellan andra typer av celler som neuroner, Säger Farzadfard. Virus som kan korsa neurala synapser kan programmeras att bära DNA -streckkoder som forskare kan använda för att spåra förbindelser mellan neuroner, erbjuder ett nytt sätt att hjälpa till att kartlägga hjärnans anslutning.
"Vi använder DNA som mekanism för att spela in rumslig information om växelverkan mellan bakterieceller, och kanske i framtiden, neuroner som har taggats, "Säger Farzadfard.
Forskarna visade också att de kunde använda denna teknik för att specifikt redigera genomet för en bakterieart inom ett samhälle av många arter. I detta fall, de introducerade genen för ett enzym som bryter ner galaktos till E coli celler som växer i kultur med flera andra bakteriearter.
Denna typ av artselektiv redigering kan erbjuda ett nytt sätt att göra antibiotikaresistenta bakterier mer mottagliga för befintliga läkemedel genom att tysta deras resistensgener, säger forskarna. Dock, sådana behandlingar skulle sannolikt kräva flera år mer forskning för att utvecklas, de säger.
Forskarna visade också att de kunde använda denna teknik för att konstruera ett syntetiskt ekosystem av bakterier och bakteriofager som kontinuerligt kan skriva om vissa delar av deras genom och utvecklas autonomt med en hastighet som är högre än vad som skulle vara möjligt genom naturlig utveckling. I detta fall, de kunde optimera cellernas förmåga att konsumera laktosförbrukning.
"Detta tillvägagångssätt kan användas för evolutionär konstruktion av cellulära egenskaper, eller i experimentella evolutionstudier genom att låta dig spela upp evolutionstejp om och om igen, "Säger Farzadfard.
Ulcerös kolit och en saknad mikrob i tarmen
Mikrober på tungan kan användas för att diagnostisera bukspottskörtelcancer
Antibiotikum X-206 effektivt mot SARS-CoV-2 in vitro
Patienter på immunterapier bör konsumera mer fiber,
SARS-CoV-2-infektion förlänger viral utsläpp och lymfocytförlust hos patienter med cancer
Scientific Symposium på LABVOLUTION fokuserar på viktiga frågor inom biovetenskap
Kvinnor födda med kejsarsnitt har större risk för fetma och diabetes
En ny studie publicerad i open-access journal JAMA Network Open i april 2020 tyder på att kvinnor födda med kejsarsnitt löper högre risk att utveckla fetma samt typ 2 -diabetes mellitus i vuxenlivet
Kaffe hjälper till att utveckla friska tarmmikrober och hjälper tarmrörelser
Det har funnits anekdotiska bevis på att kaffedrickare svär vid sin morgonkopp för normala tarmrörelser på morgonen. En ny studie från forskare i Texas har visat att kaffe verkligen hjälper till med t
Patienter med IBS kan dra nytta av vitamin D -tillskott,
föreslår ny forskning Enligt en ny studie av forskare vid University of Sheffield, att ta vitamin D -tillskott kan hjälpa till att lindra de smärtsamma symptomen på Irritable Bowel Syndrome (IBS).