讽刺的是，CRISPR系统被用来迷惑细菌
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称之为CRISPR难题。
细菌使用CRISPR-Cas系统作为适应性免疫系统来抵御来自病毒等敌人的攻击。这些系统已经被科学家们用来移除、切割和替换各种生物体中的特定遗传密码序列。
但在一项新的研究中，北卡罗来纳州立大学的研究人员表明，用CRISPR-Cas系统改造的病毒可以破坏细菌的防御，并对目标细菌进行选择性改变——即使当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，这是具有讽刺意味的，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的托德R. Klaenhammer特聘教授，也是一篇论文的通讯作者描述这项研究的论文今天发表在美国国家科学院院刊．“在这种情况下，病毒的目标是大肠杆菌通过将DNA传递给它这就像把病毒当做注射器一样。”
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来递送CRISPR-Cas有效载荷，用于靶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，这是一个可以容纳多种细菌的复杂环境。
这两种工程噬菌体，称为T7和lambda，成功地发现并将有效载荷运送到大肠杆菌宿主在实验台上。这些有效载荷表达了细菌荧光基因，并控制了细菌对抗生素的耐药性。
然后，研究人员使用lambda将所谓的胞嘧啶碱基编辑器传递到大肠杆菌宿主与CRISPR有时对DNA序列的残酷切割不同，这个碱基编辑器只改变了DNA序列的一个字母大肠杆菌的s的DNA，显示了该系统的灵敏度和精度。这些变化使某些细菌基因失活，而不产生其他变化大肠杆菌．
“我们在这里使用了一个碱基编辑器作为一种可编程的基因开关大肠杆菌．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、该研究的主要作者马修·内瑟说。
最后，研究人员通过使用预制生态系统(EcoFAB)演示了现场编辑，该生态系统装载了由沙子和石英组成的合成土壤介质，以及液体，以模拟土壤环境。研究人员还包括了三种不同类型的细菌，以测试噬菌体是否可以特异性定位大肠杆菌在系统内。
Barrangou说:“在实验室里，科学家可以过度简化事情。“这比模拟环境更好，所以我们想检查现实生活中的环境，而不是试管里的汤。”
研究人员将lambda插入虚构的生态系统中。它显示出良好的查找效率大肠杆菌进行有针对性的基因改变。
与Barrangou合作的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人能够在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。我们可以对一种特定的细菌进行改变，而其余的微生物群则毫发无损，”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——对食物和健康至关重要的环境。
“最终，这项研究代表了CRISPR传递的下一个篇章——在复杂的环境中使用病毒传递CRISPR机器。”
研究人员计划通过在其他土壤相关细菌上测试噬菌体CRISPR技术来进一步开展这项工作。重要的是，这说明了如何操纵土壤微生物群落来控制人造生态系统中与植物相关的细菌的组成和功能，以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。
m-咖啡馆土壤微生物群落分析与功能评估提供了资金，这是由劳伦斯伯克利国家实验室领导的科学重点领域，由美国能源部支持。DE-AC02-05CH11231，与加州大学伯克利分校和创新基因组学研究所合作。这篇论文的合著者包括内瑟、前北卡罗来纳州立大学博士后研究员克劳迪奥·伊达尔戈-坎塔布拉纳和北卡罗来纳州立大学研究生艾弗里·罗伯茨。
-kulikowski -
编辑须知本文摘要如下。
基于crispr的噬菌体原位细菌碱基编辑工程
作者:Matthew A. Nethery, Claudio Hidalgo-Cantabrana, Avery Roberts, Rodolphe Barrangou，北卡罗来纳州立大学
发表: 2022年11月7日美国国家科学院院刊
DOI: 10.1073 / pnas.2206744119
摘要微生物基因功能的研究对于阐明微生物群落中发生的生态作用和复杂的遗传相互作用至关重要。虽然微生物组的研究越来越普遍，但缺乏可行的原位编辑策略阻碍了实验设计和进展，使遗传知识和微生物群落的操作在很大程度上难以获得。在这里，我们展示了噬菌体传递的CRISPR-Cas有效载荷在社区环境中执行靶向遗传操作的效用，部署一个预制生态系统(EcoFAB)作为土壤微生物组的模拟物。首先，我们详细介绍了两种经典噬菌体的工程，利用重组来通过基于cas9的选择来替换非必需基因。我们展示了T7的高效工程，然后展示了抗生素耐药性和荧光基因的表达从工程的lambda前噬菌体在一个大肠杆菌宿主在此基础上，我们修改lambda以表达基于apobeck -1的胞嘧啶碱基编辑器(CBE)，我们利用它在Cas9修饰后仅包含单个活性核溶解域(nCas9)的引导下执行C到T点突变。我们有策略地引入这些碱基替换，在框架内创建过早的停止密码子，使染色体(lacZ)和质粒编码的基因(mCherry和氨苄西林抗性)失活，而不干扰周围的基因组区域。此外，使用一个多属合成土壤群落，我们在体外和EcoFAB中使用噬菌体辅助碱基编辑来诱导群落环境中的宿主特异性表型改变，观察到整个细菌种群的编辑效率从10%到28%。同时使用合成微生物群落、土壤基质和EcoFAB设备提供了一个可控且可重复的模型，可以更接近土壤微生物组的原位编辑。
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