Microbiome CRISPR está a la vuelta de la esquina

Hasta ahora, las enzimas CRISPR se han utilizado para editar los genomas de un tipo de célula a la vez: cortan, eliminan o agregan genes a un tipo específico de célula dentro de un tejido u órgano, por ejemplo, oa un tipo de microbio en crecimiento. en un tubo de ensayo.

Ahora, el grupo de la Universidad de California en Berkeley que inventó CRISPR-Cas9 genoma Hace casi 10 años que la tecnología de edición encontró una manera de agregar o modificar genes dentro de una población de muchas especies diferentes simultáneamente, abriendo la puerta a lo que podría llamarse «edición comunitaria».

Si bien esta tecnología todavía se aplica exclusivamente en entornos de laboratorio, se puede usar para modificar y rastrear microbios modificados dentro de una comunidad natural, como el intestino o las raíces de las plantas, donde se congregan cientos o miles de microbios diferentes. Este rastreo se vuelve necesario porque los científicos están hablando de un cambio genético. comunidades microbianas: Introducir genes en los microbios intestinales para solucionar problemas digestivos, por ejemplo, o cambiar el entorno microbiano de los cultivos para hacerlos más resistentes a las plagas.

Sin una forma de rastrear la inserción de genes, usando un código de barras, en este caso, tales genes insertados podrían terminar en cualquier lugar, porque los microbios comparten genes entre ellos de manera rutinaria.

«La rotura y alteración del ADN dentro de microorganismos aislados fue esencial para comprender lo que hace este ADN», dijo Benjamin Rubin, becario postdoctoral en UC Berkeley. «Este trabajo ayuda a llevar este enfoque fundamental a las comunidades microbianas, que son más representativas de cómo estos microbios viven y funcionan en la naturaleza».

Si bien la capacidad de liberar muchos tipos de células o microbios simultáneamente podría ser útil en los sistemas industriales actuales (biorreactores para cultivo celular a granel, por ejemplo, su aplicación más inmediata puede ser como una herramienta para comprender la estructura de comunidades complejas de bacterias y bacterias). arqueas y hongos, y el flujo de genes dentro de estos diversos grupos.

«Con el tiempo, es posible que podamos eliminar los genes que causan enfermedades en las bacterias intestinales o hacer que las plantas sean más eficientes mediante la ingeniería de sus socios microbianos», dijo el becario postdoctoral Brady Chris. «Pero lo más probable es que, antes de hacer eso, este enfoque nos dará una mejor comprensión de cómo funcionan los microbios dentro de una comunidad».

Robin y Chris, ambos en el laboratorio de la inventora de CRISPR-Cas9, Jennifer Doudna, y Spencer Diamond, científica del proyecto en el Innovative Genome Institute (IGI), se encuentran entre los coautores de un artículo que describe la tecnología que aparece hoy (Dec. 6) en la revista Microbiología de la naturaleza.

De la enumeración a la edición

Diamond trabaja en el laboratorio de Jill Banfield, una microbióloga que fue pionera en el campo de la secuenciación comunitaria, o metagenómica: la secuenciación rápida de todo el ADN en una comunidad compleja de microbios y el ensamblaje de ese ADN en los genomas completos de todos estos organismos, algunos de los cuales probablemente nunca existieron, nunca se han visto antes y muchos de ellos son imposibles de cultivar en un plato de laboratorio.

La secuenciación metagenómica ha avanzado de forma espectacular en los últimos 15 años. En 2019, Diamond recolectó 10,000 genomas individuales de casi 800 especies microbianas de muestras de suelo recolectadas de la pradera de pastizales del norte de California.

Pero compara esto con un procedimiento de censo: proporciona información incomparable sobre qué microbios están en qué linaje y las funciones que esos microbios pueden realizar dentro de una comunidad. Le permite inferir interacciones complejas entre organismos y cómo podrían trabajar juntos para lograr beneficios importantes para el ecosistema, como la fijación de nitrógeno. Pero estas observaciones son solo hipótesis. Diamond dijo que se necesitan nuevas formas de probar estas funciones e interacciones a nivel de la comunidad.

“Existe una idea de las entregas metabólicas, es decir, ningún microbio individual realiza una amplia gama de funciones metabólicas, pero en su mayor parte, cada organismo da un paso en el proceso y tiene que haber alguna entrega de metabolitos entre organismos ”, dijo. «Esa es la hipótesis, pero ¿cómo la probamos realmente? ¿Cómo llegamos a un punto en el que ya no solo observamos pájaros, sino que podemos hacer algunas manipulaciones y ver qué sucede? Esta fue la génesis de la liberación de la sociedad».

El equipo de investigación fue dirigido por Banfield, profesor de la Tierra en UC Berkeley. ciencia planetaria y Jennifer Doudna, profesora de Biología y Química Molecular y Celular de UC Berkeley, investigadora del Instituto Médico Howard Hughes y co-ganadora del Premio Nobel de Química 2020 por la invención de la edición del genoma CRISPR-Cas9.

El equipo desarrolló inicialmente un enfoque para identificar los microbios en la comunidad que ya eran vulnerables a la edición de genes. La técnica de detección desarrollada por Robin & Diamond, llamada ET-seq (secuenciación de transformación ambiental), se utiliza como una sonda que transporta un gen, o gen puente, que se inserta fácilmente al azar en muchos genomas microbianos. Al secuenciar el ADN de la comunidad antes y después de la introducción de los transposones, pudieron determinar qué tipos de microbios podían incorporar el gen de los transposones. El enfoque se basó en técnicas desarrolladas por el coautor Adam Deutschbauer en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. En un experimento que involucró a una comunidad de nueve microbios diferentes, introdujeron con éxito los mismos transposones en cinco de ellos utilizando diferentes métodos de transducción.

Luego, Cress desarrolló un sistema de entrega dirigido llamado CRISPR Cas Transposase (DART) Programa de edición de ADN dirigido por ARN todo en uno que utiliza CRISPR-Cas enzima Similar a CRISPR-Cas9 para uso doméstico en secuenciación de ADN específica e introducción de transposones codificantes.

Para probar la técnica DART con una comunidad microbiana más realista, los investigadores tomaron una muestra de heces de un bebé y la cultivaron para crear una comunidad estable compuesta principalmente por 14 tipos diferentes de microorganismos. Pudieron modificar cepas individuales de E. coli dentro de esta comunidad, dirigiéndose a genes que se han relacionado con enfermedades.

Los investigadores esperan utilizar esta técnica para comprender comunidades artificiales simples, como una planta y su microbioma asociado, en una caja cerrada. Entonces pueden manipular la sociedad genes Dentro de este sistema cerrado y rastrear el impacto en sus códigos de barras microbios. Estos experimentos son un aspecto de un programa de 10 años financiado por el Departamento de Energía llamado m-CAFE, para Análisis de Comunidades Microbianas y Evaluación Funcional en Suelos, que busca comprender la respuesta del microbioma de pasto simple a cambios externos. Banfield, Doudna y Deutschbauer forman parte del proyecto m-CAFE.

Otros coautores del artículo son Alexander Kretz-Kristof, Yo Claire Low, Adair Burgess, Harida Shivram, Kristin He, Michael Shaw, Ziyi Zhou, Sarah Smith, Rachel Rovinsky, Dylan Smoke, Kimberly Tang, Netravathi Krishnapa y Rohan Sash of Universidad Estatal de California, Berkeley; Trenton Owens de Berkeley Lab; y Rodolphe Barrangou de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.