從避免使用動物胰臟的細(xì)菌制胰島素到對傳染病和更好的治療方法的更好理解，細(xì)菌的基因工程重新定義了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)。但是，仍然存在嚴(yán)重的局限性。在許多其他領(lǐng)域取得進(jìn)展。幾十年來稱為重組工程(重組介導(dǎo)的基因工程)的細(xì)菌工程技術(shù)使科學(xué)家能夠毫不費(fèi)力地將自己選擇的DNA片段交換為細(xì)菌基因組區(qū)域。

但是，這種有價值且用途廣泛的方法仍未得到充分利用，因?yàn)樗饕抻诖竽c桿菌(細(xì)菌世界的實(shí)驗(yàn)鼠)和少數(shù)其他細(xì)菌物種。

現(xiàn)在，由哈佛醫(yī)學(xué)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員開發(fā)的一種新的基因工程方法有望加強(qiáng)重組，并為這種未被充分利用的方法打開整個細(xì)菌世界的大門。

5月28日在PNAS上發(fā)布了詳細(xì)介紹該團(tuán)隊(duì)技術(shù)的報告。

研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種高通量的篩選方法，以尋找最有效的蛋白質(zhì)作為重組引擎。這類蛋白質(zhì)稱為SSAP，駐留在噬菌體(感染細(xì)菌的病毒)中。

研究人員應(yīng)用這種新方法可以篩選出200多個SSAP，從而鑒定出了兩種看起來特別有前途的蛋白質(zhì)。

其中之一使細(xì)菌基因組的單點(diǎn)編輯效率提高了一倍。它還將執(zhí)行多重編輯的能力提高了十倍-可以同時在全基因組范圍內(nèi)進(jìn)行多次編輯。

另一種能夠在人類病原體銅綠假單胞菌中高效重組，而銅綠假單胞菌是威脅生命的，醫(yī)院獲得性感染的常見原因，長期以來，缺乏良好的遺傳工具。

研究的第一作者作者蒂莫西•萬尼爾(Timothy Wannier)說：“重組將是一個非常重要的工具，將來將增強(qiáng)我們的DNA書寫和編輯能力，這是提高該技術(shù)效率和覆蓋范圍的重要一步。” HMS的Robert Winthrop遺傳學(xué)教授George Church實(shí)驗(yàn)室。

研究人員說，以前的基因工程方法，包括基于CRISPR Cas9的基因編輯，已經(jīng)不適用于細(xì)菌，因?yàn)檫@些方法涉及“切割和粘貼” DNA。

Wannier說，這是因?yàn)椋c多細(xì)胞生物不同，細(xì)菌缺乏有效和精確地修復(fù)雙鏈DNA斷裂的機(jī)制，因此DNA切割會極大地干擾細(xì)菌基因組的穩(wěn)定性。重組的優(yōu)點(diǎn)是無需切割DNA即可工作。

相反，重組涉及在細(xì)菌繁殖過程中將編輯潛入基因組。細(xì)菌通過一分為二繁殖。

在此過程中，雙鏈環(huán)狀DNA染色體的一條鏈進(jìn)入每個子細(xì)胞，而一條新的第二條鏈則在裂變的早期階段生長。

重組所需的原材料很短，大約90堿基對的DNA是按訂單生產(chǎn)的。

除了鏈中心的編輯以外，每條鏈均與基因組中的序列相同。這些短鏈隨著子細(xì)胞的第二條鏈的生長而滑入適當(dāng)?shù)奈恢?，從而有效地將編輯?nèi)容納入其基因組。

在許多可能的用途中，可能會設(shè)計編輯來干擾基因，以查明基因的功能，或者提高有價值的細(xì)菌產(chǎn)品的產(chǎn)量。SSAP介導(dǎo)子鏈的新一半生長中短鏈的附著和正確放置。

重組可能使天然存在的細(xì)菌氨基酸(蛋白質(zhì)的組成部分)被人造氨基酸取代。

除其他外，這樣做可以使細(xì)菌用于環(huán)境清理溢油或其他污染物，這些污染物取決于這些人造氨基酸的生存，這意味著一旦完成工作就可以輕易消滅被修飾的細(xì)菌以避免風(fēng)險Wannier說，這種方法可以將工程微生物釋放到環(huán)境中。

Wannier補(bǔ)充說：“細(xì)菌將需要人造氨基酸補(bǔ)充劑才能生存，這意味著它們被預(yù)先編程為在沒有人造原料的情況下滅亡。”

一種稱為多重自動化基因組工程(MAGE)的重組版本可以大大提高該技術(shù)的優(yōu)勢。MAGE的特殊優(yōu)勢在于，它能夠一口氣對整個基因組進(jìn)行多次編輯。

HMS遺傳學(xué)講師John Aach說，MAGE可能會導(dǎo)致需要重新設(shè)計整個代謝途徑的項(xiàng)目取得進(jìn)展。Aach補(bǔ)充說，恰當(dāng)?shù)睦邮菍ξ⑸镞M(jìn)行工程改造以將木材廢物轉(zhuǎn)化為液體燃料的嘗試。

他說：“盡管他們還沒有生產(chǎn)出具有市場競爭力的產(chǎn)品，但許多研究人員在這一探索中的努力取得了很大進(jìn)展。”

這種努力需要測試許多編輯組合，Aach說。

“我們發(fā)現(xiàn)將MAGE與DNA序列文庫一起使用是找到優(yōu)化途徑的組合的很好方法。”

重組的后代，即具有隨機(jī)基因組突變的定向進(jìn)化(DIvERGE)，有望在對抗傳染病中受益，并可能為解決抗生素耐藥性問題開辟新的途徑。

通過將隨機(jī)突變引入基因組，DIvERGE可以加快自然細(xì)菌的進(jìn)化。HMSs教堂實(shí)驗(yàn)室的遺傳學(xué)研究員Akos Nyerges解釋說，這有助于研究人員迅速發(fā)現(xiàn)有害細(xì)菌中自然產(chǎn)生的變化，這些變化會使它們對抗生素產(chǎn)生抗藥性。AkosNyerges曾在匈牙利科學(xué)院生物研究中心任職。

Nyerges說：“重組的改進(jìn)將使研究人員能夠更快地測試細(xì)菌群體如何獲得對新抗菌藥物的抗性，從而幫助研究人員確定抗藥性較低的抗生素。”

研究人員說，重組可能會帶來一個嶄新的應(yīng)用世界，在這個時刻將很難預(yù)見。

新方法大大提高了我們修飾細(xì)菌的能力。如果我們過去可以在這里和那里修改字母，那么這種新方法類似于在整本書中編輯單詞，這樣做可以用以前不可能的方式打開科學(xué)的想象力。”