Новая техника записи ДНК позволяет точно и эффективно редактировать геномы бактерий.

Инженеры-биологи из Массачусетского технологического института разработали новый способ эффективного редактирования бактериальных геномов и программирования воспоминаний в бактериальных клетках путем переписывания их ДНК. Используя этот подход, различные формы пространственной и временной информации могут постоянно храниться для поколений и извлекаться путем секвенирования ДНК клеток.

Новая техника записи ДНК, которую исследователи называют HiSCRIBE, намного эффективнее, чем ранее разработанные системы для редактирования ДНК бактерий, который имел показатель успеха только около 1 из 10, 000 ячеек на поколение. В новом исследовании исследователи продемонстрировали, что этот подход может быть использован для хранения памяти о клеточных взаимодействиях или пространственном местоположении.

Этот метод также может позволить выборочно редактировать, активировать, или заглушить гены у определенных видов бактерий, живущих в естественном сообществе, таком как микробиом человека, говорят исследователи.

<цитата>

С этой новой системой записи ДНК, мы можем точно и эффективно редактировать бактериальные геномы без необходимости какой-либо формы отбора, в сложных бактериальных экосистемах. Это позволяет нам выполнять редактирование генома и запись ДНК вне лабораторных условий. создавать ли бактерии, оптимизировать интересующие черты на месте, или изучить эволюционную динамику и взаимодействия в бактериальных популяциях ».

Фахим Фарзадфард, бывший постдок Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи

Тимоти Лу, адъюнкт-профессор электротехники, информатики и биологической инженерии Массачусетского технологического института, является старшим автором исследования, который появляется сегодня в Сотовые системы . Нава Гараи, бывший аспирант Гарвардского университета, и Роберт Читорик, бывший аспирант Массачусетского технологического института, также являются авторами исследования.

Запись генома и запись воспоминаний

На несколько лет, Лаборатория Лу работает над способами использования ДНК для хранения информации, такой как память о клеточных событиях. В 2014, он и Фарзадфард разработали способ использования бактерий в качестве «геномного магнитофона, "инженерное дело Кишечная палочка для хранения долговременных воспоминаний о таких событиях, как химическое воздействие.

Для этого исследователи сконструировали клетки для производства фермента обратной транскриптазы под названием ретрон, который продуцирует одноцепочечную ДНК (оцДНК) при экспрессии в клетках, и фермент рекомбиназа, который может вставлять («записывать») конкретную последовательность одноцепочечной ДНК в целевой сайт генома. Эта ДНК вырабатывается только при активации предопределенной молекулой или другим типом входных данных, например свет. После того, как ДНК произведена, рекомбиназа вставляет ДНК в заранее запрограммированный сайт, который может быть где угодно в геноме.

Эта техника, которую исследователи назвали SCRIBE, имел относительно низкую эффективность письма. В каждом поколении из 10, 000 Кишечная палочка клетки только один получит новую ДНК, которую исследователи попытались внедрить в клетки. Отчасти это связано с тем, что Кишечная палочка обладают клеточными механизмами, которые предотвращают накопление и интеграцию одноцепочечной ДНК в их геномы.

В новом исследовании исследователи попытались повысить эффективность процесса, устранив некоторые из E. coli ' s защитные механизмы против одноцепочечной ДНК. Первый, они отключили ферменты, называемые экзонуклеазами, которые расщепляют одноцепочечную ДНК. Они также вырезали гены, участвующие в системе, называемой исправлением несоответствия, который обычно предотвращает интеграцию одноцепочечной ДНК в геном.

С этими модификациями исследователи смогли добиться почти универсального включения генетических изменений, которые они пытались внести, создание беспрецедентного и эффективного способа редактирования геномов бактерий без необходимости отбора.

"Из-за этого улучшения мы смогли сделать некоторые приложения, которые мы не могли делать с предыдущим поколением SCRIBE или с другими технологиями записи ДНК, "- говорит Фарзадфард.

Клеточные взаимодействия

В своем исследовании 2014 г. исследователи показали, что они могут использовать SCRIBE для записи продолжительности и интенсивности воздействия определенной молекулы. С их новой системой HiSCRIBE, они могут отслеживать такие виды воздействия, а также дополнительные типы событий, например, взаимодействие между клетками.

В качестве одного примера, исследователи показали, что они могут отслеживать процесс, называемый конъюгацией бактерий, во время которого бактерии обмениваются кусочками ДНК. Путем интеграции «штрих-кода» ДНК в геном каждой клетки, которые затем можно обменять с другими ячейками, исследователи могут определить, какие клетки взаимодействовали друг с другом, секвенировав их ДНК, чтобы увидеть, какие штрих-коды они несут.

Такое отображение может помочь исследователям изучить, как бактерии общаются друг с другом в агрегатах, таких как биопленки. Если бы подобный подход можно было применить к клеткам млекопитающих, когда-нибудь его можно будет использовать для отображения взаимодействий между другими типами клеток, такими как нейроны, - говорит Фарзадфард. Вирусы, которые могут пересекать нервные синапсы, могут быть запрограммированы на перенос штрих-кодов ДНК, которые исследователи могут использовать для отслеживания связей между нейронами, предлагая новый способ составить карту коннектома мозга.

«Мы используем ДНК как механизм для записи пространственной информации о взаимодействии бактериальных клеток, и, может быть, в будущем, нейроны, которые были помечены, "- говорит Фарзадфард.

Исследователи также показали, что они могут использовать эту технику для специального редактирования генома одного вида бактерий в сообществе многих видов. В этом случае, они ввели ген фермента, расщепляющего галактозу на Кишечная палочка клетки, растущие в культуре с несколькими другими видами бактерий.

Этот вид видо-селективного редактирования может предложить новый способ сделать устойчивые к антибиотикам бактерии более восприимчивыми к существующим лекарствам путем подавления их генов устойчивости. говорят исследователи. Тем не мение, такие методы лечения, вероятно, потребуют еще нескольких лет исследований, чтобы разработать, они говорят.

Исследователи также показали, что они могут использовать эту технику для создания синтетической экосистемы, состоящей из бактерий и бактериофагов, которые могут непрерывно переписывать определенные сегменты своего генома и автономно эволюционировать с более высокой скоростью, чем это было бы возможно при естественной эволюции. В этом случае, они смогли оптимизировать способность клеток потреблять потребление лактозы.

"Этот подход может быть использован для эволюционной инженерии клеточных признаков, или в экспериментальных исследованиях эволюции, позволяя вам проигрывать ленту эволюции снова и снова, "- говорит Фарзадфард.

• Мобильная интервенционная бригада выезжает к пациентам, чтобы обеспечить более быстрый доступ к хирургическ…
• Бактериофаги, названные в честь деревни Колни в Норфолке, могут помочь в борьбе с инфекциями, вызванными C. diffi…