Brady Cress 和 Ben Rubin 的精准微生物组编辑 101
Jennifer Doudna，联合开发者 CRISPR 基因组编辑以及基因组解析先驱 Jill Banfield 宏基因组学, 正走向新的 优化微生物组编辑 (BIOME) 的伯克利计划 在 IGI。 但究竟什么是 微生物？ 编辑一个是什么意思，你为什么要这样做？ 为了帮助解释为什么研究所对这一新的研究方向如此兴奋，我们想退后一步，在来自的帮助下向读者介绍这些概念 本·鲁宾 和 布雷迪克雷斯, 两个 IGI 生物群系 PI。
有关本系列的更多信息，请查看 宏基因组学 101 与另一个 BIOME PI， 斯宾塞钻石.
什么是微生物组？ 他们在哪里找到？
微生物组是由微生物组成的群落—— 菌, 古、单细胞真菌、病毒和其他微生物在特定的环境中共同生活和工作。
“这不仅仅是因为他们在同一个地方，”鲁宾解释道。 “但它们的整体性能大于各部分的总和。”
微生物群落存在于各种地方——水、土壤、动物和植物的表面和内部——它们通常为生态系统或宿主生物体提供重要服务。
微生物组对我们的健康有何重要意义？
“我们经常思考的一个例子是肠道中微生物的聚集，”鲁宾说。 “它们对从你的体重到你的神经发育的一切都有巨大的影响。”
总而言之，人体中的微生物细胞至少与人体细胞一样多，它们对我们的身体有影响，有积极的，也有消极的。 迄今为止，研究将人类肠道微生物组成与心血管疾病、肥胖、哮喘、过敏和阿尔茨海默病等神经系统疾病联系起来。 口腔微生物组不仅会影响口腔健康，还会影响心脏健康，而皮肤微生物组的差异与感染和炎症有关。
“关键是这些微生物彼此之间有广泛的相互作用，它们还与许多人体组织和人体细胞相互作用。 迄今为止，许多关于微生物组的研究实际上都集中在疾病与微生物组组成的相关性上。 换句话说，调查存在哪些微生物以及它们如何影响健康，”Cress 说。 “该领域提出了很多假设，但到目前为止，还没有很多真正优秀的遗传工具来检验这些假设。 所以我们知道，微生物组必然会在很大程度上影响我们的健康，但我们需要开发更多的方法来理解和影响它。”
BIOME 的首要目标之一是更好地了解肠道微生物组在儿童哮喘中的作用 加州大学旧金山分校贝尼奥夫微生物医学中心. 儿童哮喘影响全球 300 亿儿童，特别是在低收入和中等收入国家，林奇的研究发现肠道微生物组中的特定细菌与哮喘的发展之间存在密切联系。
微生物群还有哪些重要作用？
土壤微生物组是 IGI 研究的重点，因为它与土壤中的碳储存和强效温室气体（如甲烷）的释放有关。 作为 IGI 研究的一部分，BIOME 正致力于开发基因工具来编辑土壤微生物的基因组，以增加生物碳封存并减少甲烷释放 净零农业.
土壤微生物并不是唯一释放甲烷的微生物：牲畜肠道中的微生物是人类产生的甲烷排放的最大单一来源。 事实上，大部分人为甲烷排放都来自微生物群落，包括稻田、泻湖和垃圾填埋场。
微生物组还在生物修复和生物生产中发挥作用。
“一个非常重要的微生物群落在水处理中，”鲁宾说。 “既可以处理污水，也可以处理饮用水。” 微生物生物修复的其他例子包括分解石油泄漏中的石油和减少土壤中的重金属污染。
“在生物生产方面，我们正在与联合生物能源研究所合作，利用微生物群落从生物质中生产燃料和其他有价值的产品，”鲁宾说。 “食品工业也使用微生物组。 你想到的每一种培养食品——酸奶、奶酪、泡菜——都有微生物组的作用。”
我们现在有什么工具可以改变微生物组？
目前，我们改变微生物组的主要工具是抗生素。 Cress 说，虽然它们是一类关键的救命药，但它们是“一种钝器”。 抗生素可以消灭整个细菌群。
“这就像拿一把大锤砸向微生物组，”鲁宾说。 “但健康通常比这更复杂。 通常不仅仅是存在不好或不存在是好的，但这就是抗生素影响微生物组的方式。”
人们也对试图影响微生物组的益生菌产生了相当大的兴趣。 益生菌通常是含有“有益细菌”的补充剂，用于促进我们的健康。 通常，益生菌的影响很小，因为它们没有融入微生物群落，而更像是路过的访客。
粪便移植 已成功用于治疗具有挑战性的抗生素耐药性感染，但可能不适用于许多其他适应症。 “这实际上是一个人的粪便被用来替换和重新填充另一个患有肠道相关疾病的人的微生物组的地方，”Cress 解释说。 “就像益生菌一样，功效有限且存在许多相同的问题——目前尚不清楚如何确保从一个人转移到另一个人的微生物真正持续存在并对肠道健康产生相同的有益影响。” 粪便移植也会带来一些安全风险，收养可能是一个挑战。
什么是精准微生物组编辑？
BIOME 团队致力于开发精准微生物组编辑工具和实际应用。精准微生物组编辑是指使用基因组编辑工具在微生物处于自然环境（即微生物组内）时编辑其基因。
“我们正在构建能够对这些社区实施真正精确控制的工具，”鲁宾说。 “对于这个工具集，我们有几个主要目标。 一是真正更好地了解社区。 正如 Brady 提到的，我们对微生物组功能重要的基因有很多猜测。 但我们的证据有限，因为我们没有工具来检验这些猜测。 另一个关键目标是改变基因组以改善健康、减少牲畜排放或获得我们想要的其他结果。”
与抗生素不同， 基因组 编辑非常精确，能够针对不仅仅是一个特定的 微生物 在一个社区中，而是特定社区的特定部分 基因 在该微生物内。例如，如果肠道微生物群中的一种细菌正在产生一种引起炎症的化合物，那么基因组编辑疗法可以敲除编码该化合物的基因，或将该基因编辑为已知的更健康状态，同时保持微生物群的其余部分不变。
BIOME 团队目前在做什么？
“我们的早期概念验证工作表明，我们实际上可以使用我们开发的工具在复杂的天然微生物组中进行靶向编辑，”Cress 说。
这将使团队能够通过测量损坏基因的影响来了解该社区内基因的功能。
“我们还表明，我们可以使用靶向编辑来控制微生物组。 因此，例如，我们可以进入微生物组并在该微生物组中的特定种类细菌上放置一个分子标签，然后我们可以使用该标签来增加该细菌相对于其他社区成员的数量，”Cress 说. “事实上，我们已经证明，我们可以在与同一群落中许多其他菌株密切相关的物种上做到这一点，突出了我们达到的精确度水平。”
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By
希望亨德森
