15:57 2022-12-05
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Cum se editează genele maeștrilor manipulatori ai naturii
_ Cum să editați genele maeștrilor manipulatori ai naturii
CRISPR, tehnologia de editare a genelor, câștigătoare a premiului Nobel, este pe cale să aibă din nou un impact profund asupra domeniilor microbiologiei și medicinei.
A Echipa condusă de pionierul CRISPR Jennifer Doudna și colaboratorul ei de lungă durată Jill Banfield a dezvoltat un instrument inteligent pentru a edita genomurile virușilor care infectează bacterii, numiți bacteriofagi, folosind o formă rară de CRISPR. Capacitatea de a crea cu ușurință fagi proiectați la comandă – care a scăpat de mult timp comunitatea de cercetare – ar putea ajuta cercetătorii să controleze microbiom fără antibiotice sau substanțe chimice dure și să trateze infecțiile periculoase rezistente la medicamente. O lucrare care descrie munca a fost publicată recent în Nature Microbiology.
„Bacteriofagii sunt unele dintre cele mai abundente și diverse entități biologice de pe Pământ. Spre deosebire de abordările anterioare, această strategie de editare funcționează împotriva diversității genetice extraordinare a bacteriofagelor, „, a spus primul autor Benjamin Adler, un bursier postdoctoral în laboratorul Doudna. „Există atât de multe direcții interesante aici – descoperirea este literalmente la îndemâna noastră.”
Bacteriofagii, numiți pur și simplu fagi, își introduc materialul genetic în celulele bacteriene folosind un aparat asemănător unei seringi, apoi deturnează proteina. construind mașini ale gazdelor lor pentru a se reproduce – de obicei, ucigând bacteriile în acest proces. (Sunt inofensivi pentru alte organisme, inclusiv pentru noi, oamenii, chiar dacă imaginile de la microscopie electronică au dezvăluit că arată ca nave spațiale extraterestre sinistre.)
CRISPR-Cas este un tip de mecanism de apărare imunitar pe care multe bacterii și utilizarea arheilor împotriva fagilor. Un sistem CRISPR-Cas constă din fragmente scurte de ARN care sunt complementare cu secvențele din genele fagilor, permițând microbilor să recunoască când a fost introdus material genetic invaziv și enzime asemănătoare foarfecelor care neutralizează genele fagilor tăindu-le în bucăți inofensive, după ce a fost ghidat în loc de ARN.
Peste milenii, lupta evolutivă perpetuă dintre ofensa fagilor și apărarea bacteriană a forțat fagii să se specializeze. Există o mulțime de microbi, așa că există și o mulțime de fagi, fiecare cu adaptări unice. Această diversitate uluitoare a făcut dificilă editarea fagilor, inclusiv făcându-le rezistente la multe forme de CRISPR, motiv pentru care cel mai des folosit sistem – CRISPR-Cas9 – nu funcționează pentru această aplicație.
„Fagii au multe modalități de a evita apărarea, de la anti-CRISPR până la a fi bun la repararea propriului ADN”, a spus Adler. „Așadar, într-un anumit sens, adaptările codificate în genomii fagilor care îi fac atât de buni la manipularea microbilor sunt exact același motiv pentru care a fost atât de dificil să se dezvolte un instrument de uz general pentru editarea genomului lor.”
p>Liderii de proiect Doudna și Banfield au dezvoltat împreună numeroase instrumente bazate pe CRISPR, de când au colaborat pentru prima dată la o investigație timpurie a CRISPR în 2008. Acea lucrare – efectuată la Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) – a fost citată de comisia pentru Premiul Nobel când Doudna și celălalt colaborator al ei, Emmanuelle Charpentier, au primit premiul în 2020.
Doudna și echipa lui Banfield de cercetători Berkeley Lab și UC Berkeley studiau proprietățile unei forme rare de CRISPR numită CRISPR-Cas13 (derivată din o bacterie care se găsește în mod obișnuit în gura umană) când au descoperit că această versiune a sistemului de apărare funcționează împotriva unei game uriașe de fagi.
Potența de luptă împotriva fagilor a CRISPR-Cas13 a fost neașteptată, având în vedere cât de puțini microbi folosesc. asta, a explicat Adler. Oamenii de știință au fost dublu surprinși pentru că fagii pe care i-a învins în testarea tuturor infectează folosind ADN-ul dublu catenar, dar sistemul CRISPR-Cas13 țintește și taie doar ARN-ul viral monocatenar.
Ca și alte tipuri de viruși, unii fagi au genomi bazați pe ADN, iar alții au genomi bazați pe ARN. Cu toate acestea, toți virusurile cunoscuți folosesc ARN pentru a-și exprima genele. Sistemul CRISPR-Cas13 a neutralizat în mod eficient nouă fagi ADN diferiți care infectează toți tulpinile de E. coli, dar aproape că nu au nicio asemănare între genomurile lor.
Conform co-autorului și expert în fagi Vivek Mutalik, un om de știință. în Biosciences Area a Berkeley Lab, aceste descoperiri indică faptul că sistemul CRISPR se poate apăra împotriva diverșilor fagi bazați pe ADN, țintindu-le ARN-ul după ce acesta a fost convertit din ADN de către enzimele bacteriei înainte de traducerea proteinei.
Înainte. , echipa a demonstrat că sistemul poate fi folosit pentru a edita genomurile fagilor, mai degrabă decât pentru a le tăia pur și simplu în mod defensiv.
În primul rând, au realizat segmente de ADN compuse din secvența de fagi pe care doreau să o creeze flancate de secvențe de fagi nativi. și puneți-le în bacteriile țintă ale fagului. Când fagii au infectat microbii încărcați cu ADN, un mic procent din fagii care se reproduc în interiorul microbilor au preluat ADN-ul modificat și l-au încorporat în genomul lor în locul secvenței originale.
Acest pas este de lungă durată. Tehnica de editare a ADN-ului numită recombinare omoloagă. Problema veche de zeci de ani în cercetarea fagilor este că, deși acest pas, editarea genomului fagic real, funcționează foarte bine, izolarea și replicarea fagilor cu secvența editată din grupul mai mare de fagi normali este foarte dificilă.
Aici intervine CRISPR-Cas13. În pasul doi, oamenii de știință au conceput o altă tulpină de microb gazdă pentru a conține un sistem CRISPR-Cas13 care detectează și se apără împotriva secvenței normale a genomului fagilor. Când fagii făcuți în pasul unu au fost expuși gazdelor din a doua rundă, fagii cu secvența originală au fost învinși de sistemul de apărare CRISPR, dar numărul mic de fagi editați au reușit să o evite. Ei au supraviețuit și s-au replicat singuri.
Experimentele cu trei fagi E. coli neînrudiți au arătat o rată de succes uluitoare: mai mult de 99% dintre fagii produși în procesele în două etape au conținut modificări, care variau de la o mulțime enormă. -deleții de gene până la înlocuirea precisă a unui singur aminoacid.
„După părerea mea, această lucrare despre ingineria fagilor este una dintre cele mai importante repere în biologia fagilor”, a spus Mutalik. „Deoarece fagii influențează ecologia microbiană, evoluția, dinamica populației și virulența, ingineria fără întreruperi a bacteriilor și fagilor lor are implicații profunde pentru știința fundamentală, dar are și potențialul de a face o diferență reală în toate aspectele bioeconomiei umane. sănătate, această capacitate de inginerie a fagilor va avea un impact asupra tuturor, de la bioproducție și agricultură până la producția de alimente.”
Sustinați de rezultatele lor inițiale, oamenii de știință lucrează în prezent la extinderea sistemului CRISPR pentru a-l folosi pe mai multe tipuri de fagi, începând cu cele care afectează comunitățile microbiene din sol. De asemenea, îl folosesc ca instrument pentru a explora misterele genetice din genomurile fagilor. Cine știe ce alte instrumente și tehnologii uimitoare pot fi inspirate de prada războiului microscopic dintre bacterii și virusuri?
Comentarii:
Adauga Comentariu