颠覆大自然剧本：CRISPR系统迷惑了细菌

北卡罗来纳州立大学的研究人员通过设计一种携带CRISPR系统的病毒来改变细菌的基因，从而颠覆了大自然的剧本。

　　

   

   

生长在液体介质上的短柄植物。    

图片由Marta Torres提供

细菌使用CRISPR-Cas系统作为适应性免疫系统来抵御病毒等敌人的攻击。这些系统已经被科学家应用于移除、切割和替换各种生物的特定遗传密码序列。但在一项新的研究中，北卡罗莱纳州立大学的研究人员表明，用CRISPR-Cas系统设计的病毒可以挫败细菌的防御，并对目标细菌进行选择性改变——即使其他细菌靠近时也是如此。

“病毒非常擅长传递有效载荷。在这里，我们使用一种细菌病毒，一种噬菌体，将CRISPR传递给细菌，这是讽刺的，因为细菌通常使用CRISPR杀死病毒，”Rodolphe Barrangou说，他是北卡罗来纳州州立大学食品、生物加工和营养科学Todd R. Klaenhammer特约教授，也是这篇《PNAS》文章的通讯作者。 “在这种情况下，病毒的目标是大肠杆菌，把DNA传递给它。这就像把病毒当成注射器一样。”

北卡罗来纳州立大学的研究人员部署了两种不同的工程噬菌体，提供CRISPR-Cas有效负载，用于定向编辑大肠杆菌。首先在试管中，然后在模拟土壤的合成土壤环境中，这种复杂的环境可能孕育多种类型的细菌。

这两种被称为T7和lambda的工程噬菌体都成功地找到了，然后将有效载荷送到了大肠杆菌宿主。这些有效载荷表达了细菌的荧光基因，并操纵了细菌对抗生素的耐药性。

然后，研究人员使用lambda传递所谓的胞嘧啶碱基编辑器到大肠杆菌宿主。这种碱基编辑器不像CRISPR那样有时会对DNA序列进行苛刻的切割，而是只改变了一个字母，结果显示了该系统的灵敏度和精确度。这些变化使某些细菌基因失活，而不引起其他变化。

“我们在这里使用一个碱基编辑器作为一种可编程的基因开关。使用这样的系统，我们可以对基因组进行高度精确的单字母改变，而不会出现通常与CRISPR-Cas靶向相关的双链DNA断裂，”前北卡罗来纳州立大学博士生、该研究的主要作者Matthew Nethery说。

最后，研究人员通过使用合成生态系统(EcoFAB)演示了现场编辑，该生态系统加载了由沙子、石英和液体组成的合成土壤介质，以模拟土壤环境。研究人员还加入了三种不同类型的细菌，以测试噬菌体是否可以特定定位大肠杆菌。

“在实验室里，科学家可能会过度简化事情，”Barrangou说。“它更适合模拟环境，所以我们想要研究真实的环境，而不是试管里的汤。”

研究人员将lambda插入到合成的生态系统中。它显示了良好的查找效率大肠杆菌进行有针对性的基因改变。

能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家Trent Northen说:“这项技术将使我们的团队和其他团队能够在EcoFABs等高度控制的实验室环境中发现关键细菌与植物和其他微生物相互作用的遗传基础。”

“我们认为这是一种帮助微生物群的机制。我们可以对一个特定的细菌进行改变，而其余的微生物群系则毫发无损，”Barrangou说。“这是一个概念的证明，可以应用于任何复杂的微生物群落，这可以转化为更好的植物健康和更好的胃肠道健康——对食物和健康很重要的环境。最终，这项研究代表了CRISPR交付的下一章——使用病毒在复杂环境中交付CRISPR机器。”

研究人员计划通过在其他与土壤相关的细菌中测试噬菌体CRISPR技术来进一步推进这项工作。重要的是，这说明了如何在人造生态系统中操纵土壤微生物群落来控制与植物相关的细菌的组成和功能，从而了解如何促进植物生长和促进植物健康，这对可持续农业具有广泛的意义。

CRISPR-based engineering of phages for in situ bacterial base editing