دو روش جدید امکان ویرایش ژن‌ها را در چندین نوع سلول به طور همزمان توسط CRISPR –

اکنون، دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، گروهی که تقریباً 10 سال پیش فناوری ویرایش ژنوم CRISPR-Cas9 را اختراع کرد، راهی برای افزودن یا اصلاح ژن‌ها در جامعه‌ای از گونه‌های مختلف به طور همزمان پیدا کرده است، و دری را به روی آنچه می‌توان نامید باز کرد. ویرایش جامعه.”

در حالی که این فناوری هنوز به طور انحصاری در تنظیمات آزمایشگاهی استفاده می شود، می توان از آن هم برای ویرایش و هم برای ردیابی میکروب های ویرایش شده در یک جامعه طبیعی استفاده کرد، مانند روده یا روی ریشه یک گیاه که در آن صدها یا هزاران میکروب مختلف جمع می شوند. چنین ردیابی زمانی ضروری می شود که دانشمندان در مورد تغییر ژنتیکی جمعیت میکروبی صحبت می کنند: برای مثال، قرار دادن ژن در میکروب های روده برای رفع مشکلات گوارشی، یا تغییر محیط میکروبی محصولات به منظور انعطاف پذیری بیشتر در برابر آفات.

بدون راهی برای ردیابی درج‌های ژن – در این مورد با استفاده از بارکد – چنین ژن‌های درج شده می‌توانند به هر جایی ختم شوند، زیرا میکروب‌ها به طور معمول ژن‌ها را بین خود به اشتراک می‌گذارند.

بنجامین روبین از دانشگاه کالیفرنیا برکلی می‌گوید: شکستن و تغییر DNA در میکروارگانیسم‌های جدا شده برای درک عملکرد آن DNA ضروری است. “این کار کمک می کند تا این رویکرد اساسی به جوامع میکروبی ارائه شود، جوامعی که نمایانگر نحوه زندگی و عملکرد این میکروب ها در طبیعت هستند.”

در حالی که توانایی “تفنگ ساچمه ای” ویرایش بسیاری از انواع سلول ها یا میکروب ها به طور همزمان می تواند در سیستم های فعلی در مقیاس صنعتی مفید باشد – برای مثال بیوراکتورها برای کشت سلول ها به صورت فله، کاربرد فوری تر ممکن است به عنوان ابزاری برای درک ساختار باشد. جوامع پیچیده ای از باکتری ها، باستانی ها و قارچ ها، و جریان ژن در این جمعیت های متنوع.

Brady Cress، یکی از همکاران فوق دکترا، گفت: “در نهایت، ممکن است بتوانیم ژن هایی را که باعث بیماری در باکتری های روده شما می شوند حذف کنیم یا گیاهان را با مهندسی شرکای میکروبی آنها کارآمدتر کنیم.” “اما به احتمال زیاد، قبل از انجام این کار، این رویکرد به ما درک بهتری از نحوه عملکرد میکروب ها در یک جامعه می دهد.”

روبین و کرس – هر دو در آزمایشگاه جنیفر دودنا مخترع CRISPR-Cas9 – و اسپنسر دایموند، دانشمند پروژه در موسسه ژنومیکس نوآورانه (IGI)، اولین نویسندگان مقاله ای هستند که این تکنیک را توصیف می کند که امروز (دسامبر) ظاهر شد. 6) در مجله میکروبیولوژی طبیعت.

از سرشماری تا ویرایش

الماس در آزمایشگاه جیل بانفیلد، میکروبیولوژیست ژئومیکروبیولوژیست که در زمینه توالی یابی جامعه یا متاژنومیکس پیشگام بود، کار می کند: تفنگ ساچمه ای تمام DNA را در یک جامعه پیچیده از میکروب ها توالی یابی می کند و این DNA را در ژنوم کامل همه این موجودات جمع می کند، که برخی از آنها به احتمال زیاد. قبلا هرگز دیده نشده اند و بسیاری از آنها غیرممکن است که در یک ظرف آزمایشگاهی رشد کنند.

توالی یابی متاژنومیک در 15 سال گذشته بسیار پیشرفت کرده است. در سال 2019، دایموند 10000 ژنوم منفرد از نزدیک به 800 گونه میکروبی را از نمونه‌های خاک جمع‌آوری‌شده از یک علفزار در کالیفرنیای شمالی جمع‌آوری کرد.

اما او این را با سرشماری جمعیت مقایسه می‌کند: اطلاعات بی‌نظیری در مورد اینکه کدام میکروب‌ها به چه نسبتی وجود دارند و این میکروب‌ها چه عملکردهایی می‌توانند در جامعه انجام دهند، ارائه می‌کند. و به شما این امکان را می دهد که فعل و انفعالات پیچیده ای را بین موجودات و نحوه کار آنها برای دستیابی به مزایای مهم اکوسیستم، مانند تثبیت نیتروژن، استنتاج کنید. اما این مشاهدات فقط فرضیه هستند. دایموند گفت که روش‌های جدیدی برای آزمایش این عملکردها و تعاملات در سطح جامعه مورد نیاز است.

“این ایده در مورد انتقال متابولیک وجود دارد — که هیچ میکروبی فردی رشته عظیمی از عملکردهای متابولیکی را انجام نمی دهد، اما در بیشتر موارد، هر ارگانیسم منفرد در حال انجام یک مرحله واحد از یک فرآیند است و باید مقداری از دست دادن وجود داشته باشد. متابولیت‌ها بین ارگانیسم‌ها.” “این فرضیه است، اما چگونه می‌توانیم این را ثابت کنیم؟ چگونه به نقطه‌ای برسیم که دیگر فقط پرنده‌ها را تماشا نکنیم، در واقع می‌توانیم چند دستکاری انجام دهیم و ببینیم چه اتفاقی می‌افتد؟ این پیدایش بود. ویرایش جامعه.”

تیم تحقیقاتی توسط بانفیلد، استاد علوم زمین و سیاره شناسی دانشگاه برکلی و علوم محیطی، سیاست و مدیریت، و جنیفر دودنا، استاد زیست شناسی مولکولی و سلولی و شیمی دانشگاه برکلی، محقق و برنده موسسه پزشکی هاوارد هیوز رهبری می شد. جایزه نوبل شیمی 2020 برای اختراع ویرایش ژنوم CRISPR-Cas9.

این تیم ابتدا رویکردی را برای تعیین اینکه کدام میکروب ها در یک جامعه واقعاً مستعد ویرایش ژن هستند، توسعه دادند. تکنیک غربالگری که روبین و دیاموند توسعه داده اند، به نام ET-seq (توالی یابی تحولات محیطی)، از ترانسپوزون یا ژن پرش به عنوان کاوشگر استفاده می کند که به راحتی به طور تصادفی در بسیاری از ژنوم های میکروبی وارد می شود. با تعیین توالی DNA جامعه قبل و بعد از معرفی ترانسپوزون، آنها توانستند مشخص کنند کدام گونه از میکروب ها قادر به ترکیب ژن ترانسپوزون هستند. این رویکرد مبتنی بر تکنیک‌هایی بود که توسط یکی از نویسندگان آدام دویچ‌باوئر در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی ایجاد شد. در یک آزمایش که شامل جامعه ای متشکل از 9 میکروب مختلف بود، آنها با موفقیت با استفاده از روش های تبدیل متفاوت، ترانسپوزون مشابهی را در پنج تای آنها قرار دادند.

سپس کرس یک سیستم تحویل هدفمند به نام CRISPR Cas Transposase هدایت‌شده با RNA (DART) با ویرایش DNA ایجاد کرد که از آنزیم CRISPR-Cas مشابه CRISPR-Cas9 برای ورود به یک توالی DNA خاص استفاده می‌کند و یک نوار را وارد می‌کند. ترانسپوزون کد شده

برای آزمایش تکنیک DART با یک جامعه میکروبی واقعی تر، محققان نمونه مدفوع یک نوزاد را برداشتند و آن را برای ایجاد یک جامعه پایدار متشکل از 14 نوع مختلف میکروارگانیسم کشت دادند. آنها توانستند فردی را ویرایش کنند E. coli سویه‌های موجود در آن جامعه، ژن‌هایی را هدف قرار می‌دهند که با بیماری مرتبط هستند.

محققان امیدوارند از این تکنیک برای درک جوامع مصنوعی و ساده مانند یک گیاه و میکروبیوم مرتبط با آن در یک جعبه بسته استفاده کنند. آن‌ها سپس می‌توانند ژن‌های جامعه را در این سیستم بسته دستکاری کنند و تأثیر آن را بر میکروب‌های بارکد خود دنبال کنند. این آزمایش‌ها یکی از جنبه‌های یک برنامه 10 ساله است که توسط وزارت انرژی به نام m-CAFEs برای تجزیه و تحلیل جامعه میکروبی و ارزیابی عملکردی در خاک تأمین می‌شود، که به دنبال درک واکنش یک میکروبیوم ساده چمن به تغییرات خارجی است. Banfield، Doudna و Deutschbauer بخشی از پروژه m-CAFEs هستند.

این تحقیق توسط m-CAFEs (DE-AC02-05CH11231) و مؤسسه ملی علوم پزشکی عمومی مؤسسه ملی بهداشت (F32GM134694، F32GM131654) پشتیبانی شد.

سایر نویسندگان مقاله عبارتند از: الکساندر کریتس کریستوف، یو کلر لو، آدایر بورخس، هاریدا شیورام، کریستین هی، مایکل ژو، زی ژو، سارا اسمیت، راشل روینسکی، دیلن اسماک، کیمبرلی تانگ، نترواتی کریشناپا و روهان ساچدوا از UC برکلی; ترنتون اونز از آزمایشگاه برکلی؛ و رودولف بارانگو از دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی.