Новый метод открывает путь к эффективной записи в геном бактерий

Инженеры-биологи из MIT разработали новый способ эффективного редактирования бактериальных геномов и программирования памяти в бактериальных клетках путём перезаписи их ДНК. С помощью этого подхода различные формы пространственной и временной информации могут быть постоянно сохранены на поколения и извлечены путём секвенирования ДНК клеток.

Новая техника записи ДНК, которую исследователи называют HiSCRIBE, значительно эффективнее ранее разработанных систем для редактирования ДНК в бактериях, которые имели успех примерно в 1 из 10 000 клеток за поколение. В новом исследовании учёные показали, что этот подход можно использовать для хранения памяти о клеточных взаимодействиях или пространственном расположении.

Эта техника также может позволить избирательно редактировать, активировать или "заглушать" гены у определённых видов бактерий в естественном сообществе, таком как микробиом человека.

"С этой новой системой записи ДНК мы можем точно и эффективно редактировать бактериальные геномы без необходимости какой-либо формы отбора, внутри сложных бактериальных экосистем", — говорит Фахим Фарзадфард, ведущий автор статьи. "Это позволяет нам выполнять редактирование генома и запись ДНК вне лабораторных условий".

Запись в геном и сохранение памяти

Лаборатория Тимоти Лу несколько лет работала над способами использования ДНК для хранения информации, такой как память о клеточных событиях. В 2014 году они разработали метод SCRIBE, позволяющий использовать бактерии как "геномный магнитофон", но он имел низкую эффективность записи (1 из 10 000 клеток E. coli за поколение).

В новом исследовании, чтобы повысить эффективность процесса, исследователи заблокировали некоторые защитные механизмы E. coli против одноцепочечной ДНК (ssDNA):

• Они отключили ферменты экзонуклеазы, которые расщепляют одноцепочечную ДНК.
• Они "выключили" гены, участвующие в системе репарации неспаренных оснований (mismatch repair), которая обычно предотвращает интеграцию одноцепочечной ДНК в геном.

С этими модификациями исследователи смогли достичь почти универсального внедрения генетических изменений, создав беспрецедентно эффективный способ редактирования бактериальных геномов без необходимости отбора.

Клеточные взаимодействия

С помощью системы HiSCRIBE можно отслеживать не только воздействия молекул, но и дополнительные типы событий, такие как взаимодействия между клетками.

В качестве примера исследователи показали, что могут отслеживать процесс бактериальной конъюгации, при котором бактерии обмениваются фрагментами ДНК. Интегрируя ДНК-"штрихкод" в геном каждой клетки, который затем может быть обменян с другими клетками, учёные могут определить, какие клетки взаимодействовали друг с другом, секвенируя их ДНК, чтобы увидеть, какие штрихкоды они несут.

"Мы используем ДНК как механизм для записи пространственной информации о взаимодействии бактериальных клеток, а возможно, в будущем — и нейронов, которые были помечены", — говорит Фарзадфард.

Другие приложения

Исследователи также продемонстрировали, что с помощью этой техники можно:

1. Избирательно редактировать геном одного вида бактерий внутри сообщества многих видов. Это может предложить новый способ повысить чувствительность антибиотикорезистентных бактерий к существующим препаратам, "заглушив" их гены устойчивости.
2. Создать синтетическую экосистему из бактерий и бактериофагов, которая может непрерывно перезаписывать определённые участки своего генома и автономно эволюционировать с более высокой скоростью, чем это возможно при естественной эволюции. В этом случае они смогли оптимизировать способность клеток потреблять лактозу.

"Этот подход можно использовать для эволюционной инженерии клеточных признаков или в исследованиях экспериментальной эволюции, позволяя снова и снова "перематывать плёнку" эволюции", — отмечает Фарзадфард.