Два новых метода позволяют CRISPR редактировать гены в нескольких типах клеток одновременно.
На сегодняшний день ферменты CRISPR используются для редактирования геномов одного типа клеток за один раз: они вырезают, удаляют или добавляют гены в определенный вид клеток в ткани или органе, например, или в один вид микроорганизмов. Группа ученых Калифорнийского университета, которая почти 10 лет назад изобрела технологию редактирования генома CRISPR-Cas9, теперь нашла способ добавлять или изменять гены в сообществе многих различных видов одновременно, что открывает путь к тому, что можно назвать "редактированием сообщества".
Хотя эта технология пока применяется исключительно в лабораторных условиях, ее можно использовать как для редактирования, так и для отслеживания отредактированных микроорганизмов в естественном сообществе, например, в кишечнике или на корнях растений, где скапливаются сотни или тысячи различных микробов. Такое отслеживание становится необходимым, когда ученые говорят о генетическом изменении микробных популяций: например, введение генов в кишечные микроорганизмы для устранения проблем с пищеварением или изменение микробной среды сельскохозяйственных культур для повышения их устойчивости к вредителям.
Без способа отслеживания генных вставок такие вставленные гены могут оказаться где угодно, поскольку микробы обычно обмениваются генами между собой.
"Изменение ДНК в изолированных микроорганизмах имеет большое значение для понимания того, что делает эта ДНК", - говорит соавтор работы Бенджамин Рубин. "Эта разработка помогает перенести этот фундаментальный подход на микробные сообщества, которые гораздо больше отражают то, как эти микроорганизмы живут и функционируют в природе".
Хотя возможность "дробного" редактирования многих типов клеток или микроорганизмов одновременно может быть полезна в современных промышленных системах - например, в биореакторах для выращивания клеток в большом количестве, - более непосредственное применение эта работа может найти в качестве инструмента для понимания структуры сложных сообществ бактерий, архей и грибов, а также передачи генов внутри этих разнообразных популяций.
"В конечном итоге мы сможем устранить гены, вызывающие болезни, в бактериях вашего кишечника или сделать растения более эффективными за счет инженерии их микробных партнеров", - говорит Рубин. "Но, скорее всего, прежде чем мы это сделаем, этот подход даст нам лучшее понимание того, как микробы функционируют в сообществе". Статья, впервые описывающая этот инновационный метод, появилась в журнале Nature Microbiology. Авторы являются пионерами в области секвенирования сообществ, или метагеномики: секвенирования всей ДНК в сложном сообществе микробов.
За последние 15 лет метагеномное секвенирование достигло огромного прогресса. Еще в 2019 году исследователи собрали 10 000 индивидуальных геномов почти 800 видов микроорганизмов из образцов почвы. Это можно сравнить с переписью населения: информация о том, какие микробы присутствуют в каких пропорциях, и какие функции эти микробы могут выполнять в сообществе. Это позволяет сделать вывод о сложных взаимодействиях между организмами и о том, как они могут работать вместе для достижения важных преимуществ экосистемы, таких, например, как фиксация азота. Но эти наблюдения являются лишь гипотезами; необходимы новые методы для реальной проверки этих функций и взаимодействий на уровне сообщества.
"Существует идея о метаболических связях - что ни один отдельный микроорганизм не может выполнять весь огромный набор метаболических функций, но по большей части каждый отдельный организм выполняет один этап процесса, и между организмами должна быть какая-то передача метаболитов", - рассказывает Рубин. "Это гипотеза, но как мы можем доказать это? Как дойти до точки, когда мы уже не просто наблюдаем, а можем сделать несколько манипуляций и посмотреть, что произойдет? Так возникла идея редактирования сообществ".
Сначала группа разработала подход, позволяющий определить, какие именно микроорганизмы в сообществе действительно поддаются редактированию генов. В разработанном Рубином и коллегами методе скрининга, названном ET-seq ( environmental transformation sequencing), в качестве зонда используется транспозон, или прыгающий ген, который легко вставляется случайным образом в геномы многих микроорганизмов. Путем секвенирования ДНК сообщества до и после введения транспозона они смогли точно определить, какой вид микробов смог включить ген транспозона. В одном эксперименте с участием сообщества из девяти различных микроорганизмов они успешно внедрили один и тот же транспозон в пять из них, используя различные методы трансформации.
Затем была разработана система адресной доставки под названием "ДНК-редактирующая РНК-направленная CRISPR Cas транспозаза" (DART), которая использует фермент CRISPR-Cas, подобный CRISPR-Cas9, для наведения на определенную последовательность ДНК и вставки транспозона. Метод DART был апробирован на более реалистичном микробном сообществе из образца кала младенца. Выделенные из него бактерии были культивировали для создания стабильного сообщества, состоящего в основном из 14 различных типов микроорганизмов. При этом исследователи смогли отредактировать отдельные штаммы E. coli в этом сообществе, нацеливаясь на гены, которые были ассоциированы с заболеваниями.
