Ny DNA -skriveteknikk kan presist og effektivt redigere bakterielle genomer

Biologiske ingeniører ved MIT har utviklet en ny måte å effektivt redigere bakterielle genomer og programmere minner til bakterieceller ved å omskrive deres DNA. Ved å bruke denne tilnærmingen, ulike former for romlig og tidsmessig informasjon kan lagres permanent i generasjoner og hentes ved sekvensering av cellens DNA.

Den nye DNA -skriveteknikken, som forskerne kaller HiSCRIBE, er mye mer effektivt enn tidligere utviklede systemer for redigering av DNA i bakterier, som bare hadde en suksessrate på omtrent 1 av 10, 000 celler per generasjon. I en ny studie, forskerne demonstrerte at denne tilnærmingen kan brukes til å lagre minne om mobilinteraksjoner eller romlig plassering.

Denne teknikken kan også gjøre det mulig å selektivt redigere, aktivere, eller stille gener i visse bakteriearter som lever i et naturlig samfunn som det menneskelige mikrobiomet, sier forskerne.

Med dette nye DNA -skrivesystemet, vi kan nøyaktig og effektivt redigere bakterielle genomer uten behov for noen form for seleksjon, innenfor komplekse bakterielle økosystemer. Dette gjør at vi kan utføre genomredigering og DNA -skriving utenfor laboratorieinnstillinger, om man skal konstruere bakterier, optimalisere trekk av interesse in situ, eller studere evolusjonær dynamikk og interaksjoner i bakteriepopulasjonene. "

Fahim Farzadfard, tidligere MIT postdoc og hovedforfatter av papiret

Timothy Lu, en førsteamanuensis i MIT i elektroteknikk og informatikk og biologisk ingeniørfag, er seniorforfatter av studien, som vises i dag i Cell Systems . Nava Gharaei, en tidligere doktorgradsstudent ved Harvard University, og Robert Citorik, en tidligere MIT -doktorgradsstudent, er også forfattere av studien.

Genomskriving og registrering av minner

I flere år, Lu's laboratorium har jobbet med måter å bruke DNA til å lagre informasjon som minne om mobilhendelser. I 2014, han og Farzadfard utviklet en måte å bruke bakterier på som en "genomisk båndopptaker, "ingeniørfag E coli å lagre langsiktige minner om hendelser som en kjemisk eksponering.

For å oppnå det, forskerne konstruerte cellene for å produsere et revers transkriptaseenzym kalt retron, som produserer et enkeltstrenget DNA (ssDNA) når det uttrykkes i cellene, og et rekombinaseenzym, som kan sette inn ("skrive") en spesifikk sekvens av enkeltstrenget DNA i et målrettet sted i genomet. Dette DNA produseres bare når det aktiveres ved tilstedeværelse av et forhåndsbestemt molekyl eller en annen type inngang, som lys. Etter at DNA er produsert, rekombinasen setter inn DNA i et forhåndsprogrammert sted, som kan være hvor som helst i genomet.

Den teknikken, som forskerne kalte SCRIBE, hadde en relativt lav skriveeffektivitet. I hver generasjon, av 10, 000 E coli celler, bare én ville skaffe seg det nye DNA som forskerne prøvde å innlemme i cellene. Dette er delvis fordi E coli har cellulære mekanismer som forhindrer at enkeltstrenget DNA akkumuleres og integreres i genomene.

I den nye studien, forskerne prøvde å øke effektiviteten av prosessen ved å eliminere noen av E coli' s forsvarsmekanismer mot enkeltstrenget DNA. Først, de deaktiverte enzymer som kalles eksonukleaser, som bryter ned enkeltstrenget DNA. De slo også ut gener som er involvert i et system som kalles mismatch -reparasjon, som normalt forhindrer integrering av enkeltstrenget DNA i genomet.

Med disse modifikasjonene, forskerne var i stand til å oppnå nesten universell innlemmelse av de genetiske endringene de prøvde å innføre, skape en enestående og effektiv måte for redigering av bakterielle genomer uten behov for seleksjon.

"På grunn av den forbedringen, vi var i stand til å gjøre noen applikasjoner som vi ikke var i stand til å gjøre med den forrige generasjonen av SCRIBE eller med andre DNA -skriveteknologier, "Sier Farzadfard.

Mobilinteraksjoner

I deres studie fra 2014, forskerne viste at de kunne bruke SCRIBE til å registrere varighet og intensitet av eksponering for et bestemt molekyl. Med sitt nye HiSCRIBE -system, de kan spore slike eksponeringer i tillegg til flere typer hendelser, som interaksjoner mellom celler.

Som et eksempel, forskerne viste at de kunne spore en prosess som kalles bakteriell konjugering, hvor bakterier utveksler biter av DNA. Ved å integrere en DNA "strekkode" i hver celles genom, som deretter kan utveksles med andre celler, forskerne kan bestemme hvilke celler som har interaksjon med hverandre ved å sekvensere DNA -et for å se hvilke strekkoder de bærer.

Denne typen kartlegging kan hjelpe forskere med å studere hvordan bakterier kommuniserer med hverandre innenfor aggregater som biofilm. Hvis en lignende tilnærming kan brukes i pattedyrceller, det kan en dag brukes til å kartlegge interaksjoner mellom andre typer celler som nevroner, Sier Farzadfard. Virus som kan krysse nevrale synapser kan programmeres til å bære DNA -strekkoder som forskere kan bruke til å spore forbindelser mellom nevroner, tilbyr en ny måte å hjelpe til med å kartlegge hjernens forbindelse.

"Vi bruker DNA som mekanisme for å registrere romlig informasjon om samspillet mellom bakterieceller, og kanskje i fremtiden, nevroner som er merket, "Sier Farzadfard.

Forskerne viste også at de kunne bruke denne teknikken til å spesifikt redigere genomet til en bakterieart i et samfunn av mange arter. I dette tilfellet, de introduserte genet for et enzym som bryter ned galaktose til E coli celler som vokser i kultur med flere andre bakteriearter.

Denne typen artselektiv redigering kan tilby en ny måte å gjøre antibiotikaresistente bakterier mer utsatt for eksisterende medisiner ved å dempe deres resistensgener, sier forskerne. Derimot, slike behandlinger vil trolig kreve flere år med flere års forskning for å utvikle, de sier.

Forskerne viste også at de kunne bruke denne teknikken til å konstruere et syntetisk økosystem laget av bakterier og bakteriofager som kontinuerlig kan omskrive visse segmenter av genomet og utvikle seg autonomt med en hastighet som er høyere enn naturlig utvikling. I dette tilfellet, de var i stand til å optimalisere cellens evne til å konsumere laktoseforbruk.

"Denne tilnærmingen kan brukes til evolusjonær konstruksjon av cellulære egenskaper, eller i eksperimentelle evolusjonsstudier ved å la deg spille evolusjonens tape igjen og igjen, "Sier Farzadfard.

• Mobilt intervensjonelt slaglag reiser til pasienter for å gi raskere tilgang til kirurgisk behandling
• Bakteriofager oppkalt etter landsbyen Colney i Norfolk kan bidra til å bekjempe infeksjoner med C. difficile