Редактирование геномов природных манипуляторов: новый инструмент на основе CRISPR
Команда под руководством пионера CRISPR Дженнифер Даудны и её давнего соавтора Джилл Бэнфилд разработала инструмент для редактирования геномов бактериофагов — вирусов, заражающих бактерии. Технология использует редкую форму CRISPR-Cas13 и позволяет создавать фаги с заданными свойствами, что может помочь в контроле микробиомов без антибиотиков и лечении устойчивых к лекарствам инфекций. Работа опубликована в Nature Microbiology.
Проблема разнообразия фагов
Бактериофаги (фаги) — одни из самых многочисленных и разнообразных биологических объектов на Земле. Они вводят свой генетический материал в бактериальные клетки и используют их механизмы для размножения, обычно убивая бактерии. Их генетическое разнообразие и адаптации для уклонения от защитных систем бактерий (например, анти-CRISPR) долгое время делали редактирование их геномов чрезвычайно сложной задачей. Стандартная система CRISPR-Cas9 для этого не подходит.
Неожиданное открытие CRISPR-Cas13
Исследуя редкую форму CRISPR — CRISPR-Cas13 (происходящую из бактерии, часто встречающейся в ротовой полости человека), учёные обнаружили, что она эффективно работает против широкого спектра фагов. Это было неожиданно, поскольку эту систему используют немногие микроорганизмы.
CRISPR-Cas13 нацелена на одноцепочечную вирусную РНК. При этом в тестах она нейтрализовала девять разных ДНК-фагов, заражающих штаммы E. coli, чьи геномы почти не имеют сходства. Это указывает, что система защищается от разнообразных ДНК-фагов, атакуя их РНК, которая была преобразована из ДНК ферментами самой бактерии перед трансляцией белка.
Двухэтапный метод редактирования
Учёные разработали двухэтапный метод для редактирования, а не просто уничтожения фагов:
- Гомологическая рекомбинация: В бактерии-хозяина вносят сегменты ДНК с желаемой изменённой последовательностью фага, окружённой его родственными последовательностями. Когда фаги заражают эти бактерии, небольшая часть реплицирующихся фагов включает изменённую ДНК в свои геномы.
- Селекция с помощью CRISPR-Cas13: Другой штамм бактерий-хозяев модифицируют, чтобы он содержал систему CRISPR-Cas13, настроенную на распознавание и уничтожение фагов с исходной (неизменённой) последовательностью. При контакте с этими бактериями отредактированные фаги, способные уклониться от защиты, выживают и размножаются.
Высокая эффективность
Эксперименты с тремя неродственными фагами E. coli показали ошеломляющий успех: более 99% фагов, произведённых в результате двухэтапного процесса, содержали заданные правки. Масштаб правок варьировался от крупных делеций нескольких генов до точной замены одной аминокислоты.
Значение и перспективы
По мнению соавтора и эксперта по фагам Вивека Муталика, эта работа является одним из главных достижений в фаговой биологии. Возможность бесшовного инжиниринга бактерий и их фагов имеет глубокие последствия для фундаментальной науки и может оказать влияние на все аспекты биоэкономики: от биопроизводства и сельского хозяйства до производства продуктов питания и здоровья человека.
В настоящее время команда работает над расширением системы CRISPR-Cas13 для применения к большему количеству типов фагов, начиная с тех, что влияют на почвенные микробные сообщества, и использует её как инструмент для исследования генетических загадок в геномах фагов.