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研究人员应用这种新方法可以筛选出200多个SSAP

导读 从避免使用动物胰脏的细菌制胰岛素到对传染病和更好的治疗方法的更好理解,细菌的基因工程重新定义了现代医学。但是,仍然存在严重的局限性

从避免使用动物胰脏的细菌制胰岛素到对传染病和更好的治疗方法的更好理解,细菌的基因工程重新定义了现代医学。但是,仍然存在严重的局限性。在许多其他领域取得进展。几十年来称为重组工程(重组介导的基因工程)的细菌工程技术使科学家能够毫不费力地将自己选择的DNA片段交换为细菌基因组区域。

但是,这种有价值且用途广泛的方法仍未得到充分利用,因为它主要限于大肠杆菌(细菌世界的实验鼠)和少数其他细菌物种。

现在,由哈佛医学院的布拉瓦特尼克研究所和匈牙利塞格德的生物研究中心的研究人员开发的一种新的基因工程方法有望加强重组,并为这种未被充分利用的方法打开整个细菌世界的大门。

5月28日在PNAS上发布了详细介绍该团队技术的报告。

研究人员已经开发出一种高通量的筛选方法,以寻找最有效的蛋白质作为重组引擎。这类蛋白质称为SSAP,驻留在噬菌体(感染细菌的病毒)中。

研究人员应用这种新方法可以筛选出200多个SSAP,从而鉴定出了两种看起来特别有前途的蛋白质。

其中之一使细菌基因组的单点编辑效率提高了一倍。它还将执行多重编辑的能力提高了十倍-可以同时在全基因组范围内进行多次编辑。

另一种能够在人类病原体铜绿假单胞菌中高效重组,而铜绿假单胞菌是威胁生命的,医院获得性感染的常见原因,长期以来,缺乏良好的遗传工具。

研究的第一作者作者蒂莫西•万尼尔(Timothy Wannier)说:“重组将是一个非常重要的工具,将来将增强我们的DNA书写和编辑能力,这是提高该技术效率和覆盖范围的重要一步。” HMS的Robert Winthrop遗传学教授George Church实验室。

研究人员说,以前的基因工程方法,包括基于CRISPR Cas9的基因编辑,已经不适用于细菌,因为这些方法涉及“切割和粘贴” DNA。

Wannier说,这是因为,与多细胞生物不同,细菌缺乏有效和精确地修复双链DNA断裂的机制,因此DNA切割会极大地干扰细菌基因组的稳定性。重组的优点是无需切割DNA即可工作。

相反,重组涉及在细菌繁殖过程中将编辑潜入基因组。细菌通过一分为二繁殖。

在此过程中,双链环状DNA染色体的一条链进入每个子细胞,而一条新的第二条链则在裂变的早期阶段生长。

重组所需的原材料很短,大约90碱基对的DNA是按订单生产的。

除了链中心的编辑以外,每条链均与基因组中的序列相同。这些短链随着子细胞的第二条链的生长而滑入适当的位置,从而有效地将编辑内容纳入其基因组。

在许多可能的用途中,可能会设计编辑来干扰基因,以查明基因的功能,或者提高有价值的细菌产品的产量。SSAP介导子链的新一半生长中短链的附着和正确放置。

重组可能使天然存在的细菌氨基酸(蛋白质的组成部分)被人造氨基酸取代。

除其他外,这样做可以使细菌用于环境清理溢油或其他污染物,这些污染物取决于这些人造氨基酸的生存,这意味着一旦完成工作就可以轻易消灭被修饰的细菌以避免风险Wannier说,这种方法可以将工程微生物释放到环境中。

Wannier补充说:“细菌将需要人造氨基酸补充剂才能生存,这意味着它们被预先编程为在没有人造原料的情况下灭亡。”

一种称为多重自动化基因组工程(MAGE)的重组版本可以大大提高该技术的优势。MAGE的特殊优势在于,它能够一口气对整个基因组进行多次编辑。

HMS遗传学讲师John Aach说,MAGE可能会导致需要重新设计整个代谢途径的项目取得进展。Aach补充说,恰当的例子是对微生物进行工程改造以将木材废物转化为液体燃料的尝试。

他说:“尽管他们还没有生产出具有市场竞争力的产品,但许多研究人员在这一探索中的努力取得了很大进展。”

这种努力需要测试许多编辑组合,Aach说。

“我们发现将MAGE与DNA序列文库一起使用是找到优化途径的组合的很好方法。”

重组的后代,即具有随机基因组突变的定向进化(DIvERGE),有望在对抗传染病中受益,并可能为解决抗生素耐药性问题开辟新的途径。

通过将随机突变引入基因组,DIvERGE可以加快自然细菌的进化。HMSs教堂实验室的遗传学研究员Akos Nyerges解释说,这有助于研究人员迅速发现有害细菌中自然产生的变化,这些变化会使它们对抗生素产生抗药性。AkosNyerges曾在匈牙利科学院生物研究中心任职。

Nyerges说:“重组的改进将使研究人员能够更快地测试细菌群体如何获得对新抗菌药物的抗性,从而帮助研究人员确定抗药性较低的抗生素。”

研究人员说,重组可能会带来一个崭新的应用世界,在这个时刻将很难预见。

新方法大大提高了我们修饰细菌的能力。如果我们过去可以在这里和那里修改字母,那么这种新方法类似于在整本书中编辑单词,这样做可以用以前不可能的方式打开科学的想象力。”

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