Инструмент для редактирования генов CRISPR, предназначенный для разработки лучших антибиотиков.
Исследователь из Университета Висконсин-Мэдисон и его сотрудники из Калифорнийского университета в Сан-Франциско повторно использовали инструмент для редактирования генов CRISPR, чтобы изучить, какие гены являются мишенями для конкретных антибиотиков, и дать подсказки, как улучшить существующие антибиотики или разработать новые.
Устойчивость к действующим антибиотикам болезнетворных патогенных микроорганизмов является растущей проблемой, которая, по оценкам, угрожает миллионам жизней и стоит более 2 миллиардов долларов в год в США.
«Нам нужно выяснить новые слабости этих бактерий», — говорит Джейсон Питерс, профессор фармацевтических наук UW-Madison, который разработал новую систему.
Техника, известная как Mobile-CRISPRi, позволяет ученым проводить скрининг на функцию антибиотиков в широком спектре патогенных бактерий.
Используя форму бактериального секса, исследователи перевели Mobile-CRISPRi из обычных лабораторных штаммов в разнообразные бактерии, включая даже малоизученного микроба, обитающего на кожуре сыра. Эта простота переноса делает эту технику благом для ученых, изучающих любое количество бактерий, вызывающих заболевания или способствующих укреплению здоровья.
Питерс работал с Кэрол Гросс, Ореном Розенбергом и другими коллегами в UCSF и других учреждениях, чтобы разработать и протестировать Mobile-CRISPRi. Система снижает выработку белка из целевых генов, что позволяет исследователям определить, как антибиотики подавляют рост патогенных микроорганизмов. Эти знания могут помочь прямым исследованиям преодолеть устойчивость к существующим лекарствам.
Исследователи опубликовали свои выводы 7 января в журнале Nature Microbiology . Они воспользовались все более популярным молекулярным инструментом CRISPR, но уникальным способом.
«Большинство людей, когда они думают о CRISPR, думают о редактировании генов», — говорит Питерс, который получил докторскую степень в UW-Madison и недавно поступил в Фармацевтическую школу в качестве доцента. «Но это не то, что я делаю».
Обычно система CRISPR нацелена на ген, где она разрезает ДНК пополам. Ген можно редактировать, пока клетка восстанавливает повреждение.
Но Петерс и его сотрудники работали с очищенной формой CRISPR, известной как CRISPRi. CRISPRi был спроектирован так, чтобы не разрезать ДНК. Вместо этого он просто сидит на ДНК, блокируя доступ других белков к конкретному гену и включая его. В результате снижается экспрессия гена и уменьшается количество белка, для которого он кодирует.
Исследователи показали, что если они уменьшают количество белка, на которое нацелен антибиотик, бактерии становятся намного более чувствительными к более низким уровням препарата — свидетельство связи между геном и препаратом. Таким образом, тысячи генов одновременно могут быть подвергнуты скринингу в качестве потенциальных мишеней для антибиотиков, помогая ученым узнать, как работают антибиотики и как их улучшить.
Чтобы сделать CRISPRi мобильным, исследователи разработали методы переноса системы из обычных лабораторных моделей, таких как кишечная палочка, к болезнетворным видам, которые зачастую труднее изучать. Команда Питерса обратилась к одному из естественных способов, которыми бактерии соединяются и обмениваются ДНК, разновидностью бактериального секса, называемой конъюгацией. Бывший профессор генетики UW-Madison Джошуа Ледерберг обнаружил конъюгацию, которая принесла ему Нобелевскую премию в 1958 году.
«В основном вы смешиваете бактерии, и это происходит», — говорит Петерс о сопряжении. «Это не становится намного легче, чем это».
Используя конъюгацию, команда Питерса передала Mobile-CRISPRi патогенным микроорганизмам Pseudomonas, Salmonella, Staphylococcus и Listeria, среди прочих.
«Это означает, что теперь вы можете изучать, как антибиотики действуют непосредственно на эти патогены», — говорит Питерс. «Это могло бы дать нам лучшую подсказку о том, как эти препараты действуют на разные организмы и, возможно, что мы можем сделать, чтобы сделать их лучше».
Настоящее испытание мобильности Mobile-CRISPRi пришло от сыра.
По мере старения сыра он вырабатывает свой собственный ландшафт микробов. Ученые только начинают исследовать огромное разнообразие бактерий и грибков на сырах, которые способствуют их сложному вкусу. Одна из этих бактерий, Vibrio casei, была обнаружена на кожуре французского сыра в 2010 году сотрудницей Peters Рейчел Даттон из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Манипулирование генами является простым в установившихся лабораторных бактериях, таких как E. coli, но часто нет никакого способа изучить гены в бактериях, недавно выделенных из окружающей среды, таких как V. casei. Но Mobile-CRISPRi был легко переведен в штамм, открывая новые возможности для понимания того, как бактерии колонизируют и помогают старению сыра. В качестве подтверждения концепции V. casei предполагает, что Mobile-CRISPRi должен быть полезен для любого количества ранее недостаточно изученных бактерий , как тех, которые наносят нам вред, так и тех, на которых мы полагаемся.
Теперь Питерс предлагает Mobile-CRISPRi другим исследователям для изучения их микробов по выбору.
«Так что теперь он будет полностью доступен для сообщества», — говорит Питерс. «Теперь это дает людям путь вперед».
