CRISPR-редактирование микробиомов уже не за горами
Группа из Калифорнийского университета в Беркли, которая изобрела технологию редактирования генома CRISPR-Cas9 почти 10 лет назад, нашла способ добавлять или модифицировать гены в сообществе из множества различных видов одновременно. Это открывает путь к так называемому «коммунальному редактированию».
До сих пор ферменты CRISPR использовались для редактирования геномов одного типа клеток за раз. Новая технология позволяет редактировать и отслеживать отредактированные микробы в естественном сообществе, например, в кишечнике или на корнях растения, где обитают сотни или тысячи различных микроорганизмов.
Отслеживание с помощью генетического штрихкода становится необходимым, поскольку вставленные гены могут оказаться где угодно из-за горизонтального переноса генов между микробами.
От переписи к редактированию
Метод развивает область метагеномики — секвенирования всей ДНК в сложном микробном сообществе. Однако метагеномика подобна переписи населения: она показывает, какие микробы присутствуют и какие функции они потенциально могут выполнять, но не позволяет проверять эти гипотезы экспериментально. Коммунальное редактирование призвано это изменить.
Исследовательская группа под руководством Джилл Бэнфилд и Дженнифер Даудны разработала два ключевых метода:
ET-seq (environmental transformation sequencing): Скрининговая техника для определения, какие микробы в сообществе фактически поддаются генетической трансформации. Она использует транспозон («прыгающий ген»), который случайным образом встраивается во многие микробные геномы. Сравнивая секвенирование ДНК сообщества до и после введения транспозона, можно определить, в какие виды он встроился. В эксперименте с сообществом из девяти разных микробов транспозон успешно встроился в пять из них.
DART (DNA-editing All-in-one RNA-guided CRISPR Cas Transposase): Система целевой доставки, которая использует CRISPR-Cas-фермент для нацеливания на конкретную последовательность ДНК и вставки транспозона со штрихкодом.
Для проверки DART в более реалистичных условиях исследователи взяли образец стула младенца и создали стабильное сообщество из 14 различных микроорганизмов. Им удалось отредактировать отдельные штаммы E. coli внутри этого сообщества, нацелившись на гены, ассоциированные с заболеваниями.
Более немедленное применение технологии — как инструмент для понимания структуры сложных сообществ бактерий, архей и грибов, а также потока генов внутри этих популяций.
Исследователи надеются использовать технику для изучения искусственных, простых сообществ, например, растения и его ассоциированного микробиома, в замкнутой системе. Эти эксперименты являются частью 10-летней программы Министерства энергетики США m-CAFEs (Microbial Community Analysis and Functional Evaluation in Soils), целью которой является понимание реакции микробиома травы на внешние изменения.
Исследование опубликовано 6 декабря в журнале Nature Microbiology.