Cell Systems|麻省理工高效逆转录酶元件打开了在细菌中有效编写基因组的大门

麻省理工学院的生物工程师设计了一种新方法，可以通过重写细菌细胞的 DNA 来有效地编辑细菌基因组并将记忆编程到细菌细胞中。 使用这种方法，可以将各种形式的空间和时间信息永久存储几代，并通过对细胞的 DNA 进行测序来检索。

研究人员将这种新的 DNA 写入技术称为 HiSCRIBE，它比以前开发的用于编辑细菌 DNA 的系统要高效得多，后者的成功率仅为每代 10,000 个细胞中的 1 个。 在一项新研究中，研究人员证明这种方法可用于存储细胞相互作用或空间位置的记忆。

研究人员说，这项技术还可以选择性地编辑、激活或沉默生活在人类微生物群等自然群落中的某些细菌物种中的基因。

“有了这个新的 DNA 写入系统，我们可以在复杂的细菌生态系统中精确有效地编辑细菌基因组，而无需任何形式的选择，”前麻省理工学院博士后、该论文的第一作者 Fahim Farzadard 说。 “这使我们能够在实验室环境之外进行基因组编辑和 DNA 写入，无论是设计细菌、原位优化感兴趣的特征，还是研究细菌种群的进化动力学和相互作用。”

麻省理工学院电气工程、计算机科学和生物工程副教授 Timothy Lu 是该研究的资深作者，该研究今天发表在 Cell Systems 上。 哈佛大学前研究生 Nava Gharaei 和麻省理工学院前研究生 Robert Citorik 也是该研究的作者。

基因组书写和记录记忆

几年来，Lu 的实验室一直在研究如何使用 DNA 来存储信息，例如细胞事件的记忆。 2014 年，他和 Farzadard 开发了一种将细菌用作“基因组录音机”的方法，通过改造大肠杆菌来存储化学物质暴露等事件的长期记忆。

为了实现这一目标，研究人员设计了细胞以产生一种称为逆转录酶的逆转录酶，它在细胞中表达时会产生单链 DNA (ssDNA)，以及一种可以插入（“写入”）特定序列的重组酶 将单链 DNA 导入基因组中的目标位点。 只有当存在预定分子或其他类型的输入（例如光）激活时，才会产生这种 DNA。 产生 DNA 后，重组酶将 DNA 插入预编程的位点，该位点可以位于基因组的任何位置。

这种被研究人员称为 SCRIBE 的技术的书写效率相对较低。 在每一代中，在 10,000 个大肠杆菌细胞中，只有一个会获得研究人员试图整合到细胞中的新 DNA。 这部分是因为大肠杆菌具有阻止单链 DNA 积累和整合到其基因组中的细胞机制。

在这项新研究中，研究人员试图通过消除大肠杆菌对单链 DNA 的一些防御机制来提高该过程的效率。 首先，他们禁用了称为外切核酸酶的酶，这种酶可以分解单链 DNA。 他们还敲除错配修复系统中涉及的基因，该系统通常会阻止单链 DNA 整合到基因组中。

通过这些修改，研究人员能够实现他们试图引入的基因变化的近乎普遍的整合，创造了一种无与伦比且有效的编辑细菌基因组的方法，而无需进行选择。

Farzadfard 说：“由于这种改进，我们能够完成上一代 SCRIBE 或其他 DNA 写入技术无法完成的一些应用。”

细胞相互作用

在他们 2014 年的研究中，研究人员表明他们可以使用 SCRIBE 记录暴露于特定分子的持续时间和强度。 借助新的 HiSCRIBE 系统，他们可以追踪这些类型的暴露以及其他类型的事件，例如细胞之间的相互作用。

作为一个例子，研究人员表明他们可以追踪一种称为细菌接合的过程，在此过程中细菌会交换 DNA 片段。 通过将 DNA“条形码”整合到每个细胞的基因组中，然后可以与其他细胞交换，研究人员可以通过对它们的 DNA 进行测序以查看它们携带哪些条形码来确定哪些细胞彼此相互作用。

这种映射可以帮助研究人员研究细菌如何在生物膜等聚集体中相互交流。 Farzadfard 说，如果类似的方法可以部署在哺乳动物细胞中，那么有一天它可以用来绘制其他类型细胞（如神经元）之间的相互作用图。 可以穿过神经突触的病毒可以被编程为携带 DNA 条形码，研究人员可以用它来追踪神经元之间的连接，提供一种帮助绘制大脑连接组图的新方法。

Farzadfard 说：“我们正在使用 DNA 作为机制来记录有关细菌细胞相互作用的空间信息，并且可能在未来记录被标记的神经元。”

研究人员还表明，他们可以使用这种技术在许多物种的群落中专门编辑一种细菌的基因组。 在这种情况下，他们引入了一种酶的基因，该酶可将半乳糖分解到与其他几种细菌一起培养的大肠杆菌细胞中。

研究人员说，这种物种选择性编辑可以提供一种新方法，通过沉默耐药基因，使耐药细菌对现有药物更敏感。 然而，他们说，这种治疗方法可能还需要几年的研究才能开发出来。

研究人员还表明，他们可以使用这种技术来设计一个由细菌和噬菌体组成的合成生态系统，这些生态系统可以不断地重写其基因组的某些部分，并以高于自然进化的速度自主进化。 在这种情况下，他们能够优化细胞消耗乳糖的能力。

“这种方法可以用于细胞特征的进化工程，或者通过允许你一遍又一遍地重播进化的录音，用于实验进化研究，”法扎德说。

More information: Efficient retroelement-mediated DNA writing in bacteria, Cell Systems (2021). DOI: 10.1016/j.cels.2021.07.001

Journal information: Cell Systems

文章来源网络整理；如有侵权请及时联系PaperRSS小编删除，转载请注明来源。

温馨提示：

为方便PaperRSS粉丝们科研、就业等话题交流。我们根据10多个专业方向（植物、医学、药学、人工智能、化学、物理、财经管理、体育等），特建立了30个国内外博士交流群。群成员来源欧美、日韩、新加坡、清华北大、中科院等全球名校。