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基因编辑工具CRISPR重新利用以开发更好的抗生素

威斯康星大学麦迪逊分校的研究员的大学和他的合作者在加州大学旧金山分校已经改变用途的基因编辑工具CRISPR研究哪些基因是由特定的抗生素有针对性的,提供了关于如何提高现有抗生素或开发新的线索。

基因编辑工具CRISPR重新利用以开发更好的抗生素

致病病原体对目前抗生素的耐药性是一个日益严重的问题,据估计,美国每年造成数百万人丧生,每年花费超过20亿美元。

“我们需要做的是弄清楚这些细菌的新弱点,”开发新系统的威斯康星大学麦迪逊制药科学教授杰森彼得斯说。

这项名为Mobile-CRISPRi的技术使科学家能够筛选各种致病菌的抗生素功能。

研究人员利用一种细菌性的形式将Mobile-CRISPRi从常见的实验室菌株转移到不同的细菌中,甚至包括一些研究不多的微生物,使其成为奶酪的家。这种易于转移使得该技术成为科学家研究任何导致疾病或促进健康的细菌的福音。

Peters与Carol Gross,Oren Rosenberg以及加州大学旧金山分校和其他机构的其他同事一起设计和测试了Mobile-CRISPRi。该系统减少了靶基因中蛋白质的产生,使研究人员能够确定抗生素如何抑制病原体的生长。这些知识可以帮助指导研究克服对现有药物的抵抗力。

研究人员于1月7日在“ 自然微生物学 ”杂志上发表了他们的研究结果。他们利用日益流行的分子工具CRISPR,但以独特的方式。

“大多数人,当他们考虑CRISPR时,会考虑基因编辑,”彼得斯说,他在威斯康星大学麦迪逊分校获得博士学位,最近加入了药学院担任助理教授。“但这不是我做的事。”

通常,CRISPR系统被靶向一个基因,在那里它将DNA切成两半。当细胞修复损伤时,可以编辑基因。

但彼得斯和他的合作者使用被称为CRISPRi的一种被摧毁的CRISPR形式。CRISPRi已被设计为无法切割DNA。相反,它只是坐在DNA上,阻止其他蛋白质进入并打开特定基因。结果是基因的表达降低,并且其编码的蛋白质的量减少。

研究人员表明,如果他们减少抗生素靶向蛋白质的数量,细菌对较低水平的药物变得更加敏感 - 这是基因和药物之间关联的证据。一次可以将数以千计的基因筛选为潜在的抗生素目标,帮助科学家了解抗生素的工作原理以及如何改善抗生素。

为了使CRISPRi移动,研究人员开发了将系统从大肠杆菌等常见实验室模型转移到致病物种的方法,这些物种往往更难研究。彼得斯的团队转向了细菌连接和交换DNA的自然方式之一,这是一种叫做结合的细菌性。前威斯康星大学麦迪逊遗传学教授Joshua Lederberg发现了结合,这使他在1958年获得诺贝尔奖。

“你基本上将细菌混合在一起就会发生,”彼得斯谈到结合。“它并没有那么容易。”

使用缀合,Peters的团队将Mobile-CRISPRi转移到病原体Pseudomonas,Salmonella,Staphylococcus和Listeria等。

“这意味着你现在可以研究抗生素如何在这些病原体中直接起作用,”彼得斯说。“这可以让我们更好地了解这些药物在不同生物体中如何发挥作用,以及我们可以做些什么来使它们更好。”

Mobile-CRISPRi移动性的真正考验来自奶酪。

随着奶酪的老化,它会策划自己的微生物景观。科学家们刚刚开始研究奶酪中细菌和真菌的巨大多样性,这有助于它们的复杂口味。2010年,彼得斯的加州大学圣地亚哥分校的合作者Rachel Dutton在法国奶酪的外皮上发现了其中一种细菌干酪乳杆菌(Vibrio casei)。

操纵基因在已建立的实验室细菌(如大肠杆菌)中很简单,但通常无法研究最近从环境中分离出的细菌中的基因,如干酪乳杆菌。但Mobile-CRISPRi很容易转移到菌株中,为了解细菌如何定殖并帮助老化奶酪开辟了新的途径。作为一个概念验证,V。casei认为,Mobile-CRISPRi应该对任何先前未充分研究的细菌有用,包括那些伤害我们和我们依赖的细菌。

现在Peters正在向其他研究人员提供Mobile-CRISPRi来研究他们选择的细菌。

“所以现在它将完全可供社区使用,”彼得斯说。“现在这给了人们前进的道路。”

这项工作得到了美国国立卫生研究院(F32 GM108222和R01 GM102790)和美国农业部国家食品和农业研究所孵化项目NYC-189438的支持。

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