研究人员找到了编辑在不同物种群落中生长的微生物基因组的方法。
到今天为止， CRISPR 酶 已被用于编辑 基因组 的一种 细胞 一次：他们剪切、删除或添加 基因 例如，对组织或器官内的特定类型的细胞，或对一种 微生物 在试管中生长。
现在，加州大学伯克利分校发明了 CRISPR-Cas9 基因组编辑 近 10 年前的技术已经找到了一种在许多不同物种的社区中同时添加或修改基因的方法，为所谓的“社区编辑”打开了大门。
虽然这项技术仍然只应用于实验室环境，但它可以用于编辑和跟踪自然群落中编辑过的微生物，例如肠道或植物根部，成百上千种不同的微生物聚集在一起。 当科学家谈论基因改变微生物种群时，这种追踪变得必要：例如，将基因插入肠道微生物中以解决消化问题，或改变作物的微生物环境以使其对害虫更具抵抗力。
如果没有追踪基因插入的方法——在这种情况下使用条形码——这种插入的基因可能会出现在任何地方，因为微生物通常会在它们之间共享基因。
“打破和改变 的DNA 在分离的微生物中，对于了解 DNA 的作用至关重要，”加州大学伯克利分校的博士后研究员 Benjamin Rubin 说。 “这项工作有助于将这种基本方法引入微生物群落，它们更能代表这些微生物在自然界中的生活和运作方式。”
虽然一次“霰弹枪”编辑多种类型细胞或微生物的能力在当前的工业规模系统中可能很有用——例如，用于批量培养细胞的生物反应器，但更直接的应用可能是作为理解细胞结构的工具。复杂的社区 菌, 古 和真菌，以及这些不同种群中的基因流动。
“最终，我们可能能够消除导致肠道细菌疾病的基因，或者通过改造微生物伙伴来提高植物的效率，”博士后研究员 Brady Cress 说。 “但很可能，在我们这样做之前，这种方法将使我们更好地了解微生物在社区中的功能。”
Rubin 和 Cress——都在 CRISPR-Cas9 发明者 Jennifer Doudna 的实验室里——以及创新项目科学家 Spencer Diamond 基因组学 Institute (IGI) 是一篇描述今天（6 月 XNUMX 日）在期刊上发表的技术的论文的共同第一作者 自然微生物学。
从普查到编辑
钻石在实验室工作 吉尔班菲尔德，开创社区测序领域的地球微生物学家，或 宏基因组学：对复杂微生物群落中的所有 DNA 进行霰弹枪测序，并将这些 DNA 组装成所有这些生物的完整基因组，其中一些可能以前从未见过，其中许多不可能在实验室培养皿中生长。
在过去的 15 年中，宏基因组测序取得了巨大的进步。 2019 年，Diamond 从加利福尼亚北部草原草甸收集的土壤样本中组装了近 10,000 种微生物物种的 800 个个体基因组。
但他将这与人口普查进行了比较：它提供了有关哪些微生物以何种比例存在以及这些微生物在社区内可以发挥哪些功能的无与伦比的信息。 它允许您推断生物之间复杂的相互作用以及它们如何协同工作以实现重要的生态系统效益，例如固氮。 但这些观察结果只是假设； 戴蒙德说，需要新方法在社区层面实际测试这些功能和相互作用。
“有一个代谢交接的想法——没有一个微生物在执行大量的代谢功能，但在大多数情况下，每个个体生物都在做一个过程的一个步骤，并且必须有一些交接生物体之间的代谢物，”他说。 “这是假设，但我们如何实际证明这一点？ 我们如何达到不再只是观察鸟类的程度，我们实际上可以进行一些操作并看看发生了什么？ 这就是社区编辑的起源。”
该研究小组由加州大学伯克利分校地球与行星科学以及环境科学、政策和管理教授班菲尔德领导，以及 珍妮弗·杜德娜，加州大学伯克利分校分子和细胞生物学和化学教授，霍华德休斯医学研究所研究员，2020 年诺贝尔化学奖共同获得者，发明 CRISPR-Cas9 基因组编辑。
该团队首先开发了一种方法来确定社区中的哪些微生物实际上容易受到基因编辑的影响。 Rubin 和 Diamond 开发的筛选技术称为 ET-seq（环境转化测序），使用转座子或跳跃基因作为探针，可轻松随机插入许多微生物基因组。 通过在引入转座子之前和之后对群落 DNA 进行测序，他们能够确定哪些微生物种类能够掺入转座子基因。 该方法基于劳伦斯伯克利国家实验室的合著者 Adam Deutschbauer 开发的技术。 在一项涉及九种不同微生物群落的实验中，他们使用不同的转化方法成功地将相同的转座子插入到其中的五种微生物中。
Cress 随后开发了一种名为 DNA-editing All-in-one 的靶向递送系统 RNA-引导CRISPR CAS号 转座酶 (DART) 使用类似于 CRISPR-Cas9 的 CRISPR-Cas 酶定位特定 DNA 序列并插入条形码转座子。
为了用更真实的微生物群落测试 DART 技术，研究人员从婴儿身上采集了粪便样本并对其进行培养，以创建一个主要由 14 种不同类型微生物组成的稳定群落。 他们能够编辑个人 E。大肠杆菌 该社区内的菌株，针对与疾病相关的基因。
研究人员希望利用该技术来了解人工的、简单的群落，例如植物及其相关联的群落。 微生物，在一个封闭的盒子里。 然后，他们可以在这个封闭系统内操纵群落基因，并追踪对其条形码微生物的影响。 这些实验是能源部资助的一项为期 10 年的计划的一个方面，名为 咖啡厅s，用于土壤微生物群落分析和功能评估，旨在了解简单的草微生物群对外部变化的响应。 Banfield、Doudna 和 Deutschbauer 是 m-CAFEs 项目的一部分。
该研究得到了 m-CAFEs (DE-AC02-05CH11231) 和美国国立卫生研究院国立普通医学科学研究所 (F32GM134694、F32GM131654) 的支持。
该论文的其他合著者是 Alexander Crits-Christoph、Yue Clare Lou、Adair Borges、Haridha Shivram、Christine He、Michael Xu、Zeyi Zhou、Sara Smith、Rachel Rovinsky、Dylan Smock、Kimberly Tang、Netravathi Krishnappa 和 Rohan Sachdeva加州大学伯克利分校； 伯克利实验室的特伦顿欧文斯； 和北卡罗来纳州立大学的 Rodolphe Barrangou。
这个故事最初是由 加州大学伯克利分校新闻.
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媒体联络： 安迪·默多克，andymurdock@berkeley.edu
