加州大学旧金山分校和斯坦福大学的研究人员首次对细菌生命必需的中心基因和蛋白质进行了全面调查。该研究结合了CRISPR基因编辑技术的新变种与自动细胞成像，产生了对基因基因网络的新认识，这些基因网络使细菌对环境压力具有更强的抵抗力，并且越来越多地应用于抗菌药物。该研究还证明了一种确定潜在新抗生素化合物作用机制的实用方法，研究人员希望可以利用这种方法来帮助设计更好的药物来对抗日益增长的抗生素耐药性流行病。

复杂生命的大多数核心方面，例如细胞如何复制DNA，繁殖和制造关键蛋白质和膜，都是基于简单的单细胞细菌中发现的相同基因和蛋白质机制。但即使在细菌中，所有这些蛋白质如何协同作用以促进生命只是部分被理解。在这项新研究中，由UCSF细胞生物学家Carol Gross博士和斯坦福生物工程师KC Huang博士和Stanley Qi博士领导的团队利用他们在微生物学，细胞成像和基因工程方面的综合专业知识开发了一种新的方法。了解是什么让细菌发痒。

“以前，生命中最基本的基因的遗传学研究非常具有挑战性，”加州大学圣地亚哥分校牙科学院细胞和组织生物学以及微生物学和免疫学教授格罗斯说。Gross说，遗传学家经常通过实验关闭基因并观察细胞在所谓的“敲除”实验中发生的事情来了解基因的功能。“研究最基本的基因的问题是，你无法将它们击倒 - 细胞就会死亡。”

2016年5月26日在线发表在Cell杂志上的新研究结果依赖于一种新技术，该技术允许研究人员对每种感兴趣的基因产生“击倒”。与敲除的二进制开关开关不同，敲除实验基本上在每个基因上放置一个音量旋钮，以温和地调低细胞产生的蛋白质含量。通过这种方式，研究人员可以调低必需基因的活性，足以检查其在细胞日常活动中的重要性，但不足以彻底杀死细胞。

这项称为CRISPR干扰(CRISPRi)的技术最近由Qi公司开发，他现在是斯坦福大学工程与医学院的生物工程和化学与系统生物学助理教授，当时他是加州大学旧金山分校的系统生物学研究员。Qi的CRISPRi技术与CRISPR-Cas9技术完全不同，后者被基因工程师越来越多地用作切割和剪接DNA的简单工具：CRISPRi不是修饰DNA，而是精确调节细胞特定蛋白质的产生。

研究人员使用CRISPRi系统地减少细菌枯草芽孢杆菌中258种必需蛋白质的产生，每次一种基因，然后观察细胞机器如何在这种弱化状态下使用高通量，计算机控制的显微镜进行研究由黄的实验室。

研究人员发现，对于绝大多数必需蛋白质而言，蛋白质完全丧失会对细胞的完整性造成严重破坏：使其正常形状发生变形或导致它们爆裂并破坏细胞分裂或完全停止生长。相比之下，使用CRISPRi部分剥夺这些蛋白质的细胞产生了微妙的变化，并揭示了必需蛋白质分为两类：通过直接控制细菌细胞壁改变细胞形状的蛋白质，以及通过间接影响细胞形状的调节剂机制。

“这些研究结果揭示了一系列可以通过抗生素靶向的失败模式，并展示了细胞如何进化以将它们的系统结合起来以避免这些命运，”斯坦福大学工程学院生物工程和微生物学与免疫学教授Huang说。和医学。

遗传冗余和失败保险是细菌恢复力的关键

该团队还对100多种不同的压力进行了每次击倒，例如给予抗生素或改变其营养供应。通过分析近30,000种基本蛋白质敲除和环境压力因素的组合，该团队描述了不同基本蛋白质对应对特定环境压力因子的重要性，并观察了细菌复原力的一些关键原则。他们还表明，该技术有可能被用于确定新抗生素化合物的生物学机制。

为了测试他们作为药物发现平台的方法，研究人员证明了对构建细菌细胞壁重要的特定酶的敲低使得细胞对抗生素特别敏感，其抗生素的作用方式以前是未知的。该团队表示，此类实验强调了同时研究所有必需基因的能力，他们认为这种方法可以成为描述其他抗生素药物目标的有效方法，这是将药物从实验室转移到实验室的主要瓶颈。诊所。

其他实验表明，细菌细胞已经进化出许多冗余 - 例如产生更多的每种关键蛋白质，而不是作为饥饿时间的雨天供应。研究人员了解到，细菌还可以备份许多必需蛋白质，这是一种自动防故障机制，可以更好地抵抗基因突变或药理攻击。

例如，一项实验侧重于已知在产生细菌细胞保护性外层中起关键作用的三种蛋白质，这是一种由几种最有效的抗生素靶向的重要过程。

“我们把第一个蛋白质从完全爆炸变为零，细胞很好，”格罗斯说。“我们对第二种蛋白质做了同样的事情，但事情仍然很好。我们不得不在细胞死亡之前击倒所有三种蛋白质。因此，虽然这个过程是必不可少的，但每种蛋白质都没有。”

该团队继续发现了数十对具有看似无关功能的蛋白质，这些蛋白质对环境压力具有相似水平的弹性，这表明细胞具有冗余备份系统，可以处理关键系统的中断。

“在某种程度上，这些实验使我们能够通过观察每个生命过程的结果来逆向改造进化，”黄说。“我们的研究结果表明，细胞经过优化可以在逆境中存活。鉴于通常在细菌进化过程中，营养素供应短缺，环境条件恶劣。因此必需的基因和蛋白质会进化，使细胞在细胞生存期间存活。缺乏。”