使细菌的防御成为焦点,新的基因工程策略使人造DNA变得不可见

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细菌无处不在。他们生活在土壤和水中,皮肤上和身体中。有些是致病的,这意味着它们会引起疾病或感染。为了设计针对病原体的有效治疗方法,研究人员需要知道哪些特定基因应归咎于致病性。

通过拍摄一系列近原子分辨率的快照,康奈尔大学和哈佛医学院的科学家们一步一步地观察了细菌如何抵御外来入侵者,如噬菌体,一种感染细菌的病毒。

科学家可以通过基因工程识别致病基因。这涉及将人造DNA添加到细菌细胞中。然而,问题是细菌已经进化出复杂的防御系统以防止外来入侵者

特别是外来的DNA。目前的基因工程方法经常将人造DNA伪装成细菌DNA以阻止这些防御,但是该过程需要高度特异性的修改并且昂贵且耗时。

在最近发表在美国国家科学院院刊上的一篇论文中,克里斯托弗约翰斯顿博士和他在Forsyth研究所的同事们描述了一种通过使人造DNA对细菌的防御不可见而对细菌进行基因工程的新技术。理论上,该方法可以应用于几乎任何类型的细菌。

Johnston是Fred
Hutchinson癌症研究中心疫苗和传染病部门的研究员,也是该论文的主要作者。他说,当一个细菌细胞检测到它已被外来DNA穿透时,它会迅速摧毁侵入者。细菌一直受到病毒攻击的威胁,因此它们已经开发出非常有效的防御措施来抵御这些威胁。

约翰斯顿解释说,问题在于,当科学家们想要将人造DNA放入细菌中时,他们会面对完全相同的防御系统,以保护细菌免受病毒侵害。

为了克服这个障碍,科学家们添加了特定的修改来掩盖人造DNA并诱使细菌认为入侵者是其自身DNA的一部分。这种方法有时可行但可能需要相当长的时间和资源。

约翰斯顿的策略是不同的。他没有在人造DNA中加入伪装,而是删除了一种称为基序的基因序列的特定成分。细菌防御系统需要这个主题来识别外来DNA并进行有效的反击。通过去除基序,人造DNA变得对细菌的防御系统基本上是不可见的。

想象一下像干船坞中的敌人潜艇这样的细菌,以及作为你的士兵的人造遗传工具,需要进入潜艇进行特定的任务。目前的做法就像将间谍伪装成敌人一样士兵,让他们走到每个门口,允许警卫检查他们的凭据,如果一切顺利,他们就在,约翰斯顿说。我们的方法是让那名士兵看不见,让他们直接穿过大门,完全躲避守卫。

这种新方法比现有技术需要更少的时间和更少的资源。在这项研究中,约翰斯顿使用金黄色葡萄球菌作为模型,但他开发的潜在策略可以用于潜行这些主要的防御系统,这些系统存在于当今已知的80%至90%的细菌中。

这种新的基因工程工具为以前未经过充分研究的细菌研究开辟了可能性。约翰斯顿解释说,由于科学家的时间和资源有限,他们倾向于使用已经被破坏的细菌。使用这种新工具,解决细菌DNA的主要障碍已经解决,研究人员可以使用该方法设计更多临床相关细菌。

细菌是我们这个星球的驱动力,Forsyth研究所的高级研究员,该论文的共同作者Gary
Borisy博士说。设计细菌的能力对医学,农业,化学工业和环境都有深远的影响。

他们观察到的过程使用CRISPR(聚集的规则间隔的短回文重复序列)位点,其中可以剪切细胞的DNA以插入额外的DNA。

生物学家使用CRISPR进行基因工程实验,但细胞可能已经将这种机制演变为防御系统的一部分。细胞使用这些位置来存储入侵者的分子记忆,以便在下次遭遇时可以选择性地根除它们。

除了我们的系统在蛋白质识别水平上起作用外,虫子的免疫系统与我们的效率一样有效,而CRISPR在核酸识别水平上起作用,分子生物学和遗传学教授Ailong
Ke解释道。

在第一次遇到时,细菌将一些入侵者的DNA插入到CRISPR位置的自己的基因组中。需要时,存储的DNA的RNA转录物(称为指导RNA)可以与其他蛋白质组装成称为Cascade(CRISPR相关复合物用于抗病毒防御)的复合物。该系统非常高效和精确,以至于研究人员已经想到了将其重新用于基因组编辑应用的方法,以及在DNA的精确位置引入变化。在我们发言时,一场CRISPR革命席卷了生物学,柯说。

在之前的研究中,Ke已经定义了该过程中涉及的蛋白质-RNA复合物的功能,并使用康奈尔高能同步加速器源(CHESS)的X射线晶体学设备来确定它们的结构。Ke实验室的博士后研究员Yibei
Xiao一步一步地制定了整个免疫过程。下一步是捕捉这些步骤的结构快照,制作一部关于正在发生的事情的高清电影,柯说。

柯与哈佛医学院细胞生物学助理教授廖茂夫合作,他是一位使用低温电子显微镜确定在冰层中冷冻的大分子高分辨率结构的专家。使用用于发酵的细菌Thermobifida
fusca,Ke的实验室制备了代表免疫反应的不同阶段的样品。廖和他的博士后研究员罗敏冻结了这些样本,并在每一步拍摄了高分辨率的快照。该研究的重点是特定版本的CRISPR相关防御,称为IE型。

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