直到十年前，科學(xué)家才意識到細(xì)菌具有復(fù)雜的免疫系統(tǒng) - 能夠跟上感染細(xì)菌的噬菌體病毒的進(jìn)化速度。隨著現(xiàn)在最著名的細(xì)菌免疫機制的發(fā)現(xiàn)，這種情況發(fā)生了變化：CRISPR?？茖W(xué)家們意識到CRISPR是一種天然的基因編輯器，它已經(jīng)徹底改變了全世界成千上萬實驗室的生物研究世界。研究人員現(xiàn)在明白，大多數(shù)微生物都有復(fù)雜的免疫系統(tǒng)，其中CRISPR只是一種元素;但是沒有很好的方法來識別這些系統(tǒng)。

在一項大規(guī)模，系統(tǒng)的研究中，Rizm Sorek教授和他的Weizmann科學(xué)研究所的團(tuán)隊現(xiàn)在已經(jīng)揭示了細(xì)菌中存在的10種先前未知的免疫防御機制。“我們發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)不同于我們以前見過的任何系統(tǒng)，”索雷克說。“但我們認(rèn)為，其中有一兩個可能有可能增加基因編輯工具箱，還有一些可能指向人體免疫系統(tǒng)的起源。”他們的研究結(jié)果最近發(fā)表在“科學(xué)”雜志上。

研究所分子遺傳學(xué)系的成員Sorek解釋說，細(xì)菌不能單獨依靠CRISPR來對抗噬菌體。實際上，許多噬菌體具有取消CRISPR活性的“抗CRISPR”蛋白質(zhì)，這表明其他系統(tǒng)可以消除這種松弛。Sorek和他的團(tuán)隊開始尋找這些系統(tǒng)，創(chuàng)建了一個計算機程序，可掃描所有已測序的細(xì)菌基因組 - 總共約50,000個基因組。他們創(chuàng)建的算法不是尋找具有預(yù)定義特征的序列，而是搜索參與防御的基因的“統(tǒng)計特征” - 例如，它們在“防御島”中的位置，其中幾個防御相關(guān)基因彼此相鄰。然后，因為免疫系統(tǒng)基因很少單獨工作 - 甚至在細(xì)菌中 - 研究人員開發(fā)了復(fù)雜的計算機分析方法，以便了解哪些基因聯(lián)合起來并共同形成防御系統(tǒng)。

一旦他們將可能的防御基因從數(shù)百萬縮小到數(shù)百，研究人員就需要測試他們已經(jīng)確定的候選機制。該研究小組不是試圖從數(shù)百種不同的細(xì)菌中分離出基因序列，而是轉(zhuǎn)向合成生物學(xué)：讓基因定制。他們將基因代碼串 - 總共400,000個堿基或遺傳密碼的“字母”發(fā)送到商業(yè)實驗室，在那里合成了數(shù)十個不同的多基因系統(tǒng)進(jìn)行測試。將這些合成系統(tǒng)插入已經(jīng)使其天然免疫系統(tǒng)失活的實驗室細(xì)菌中。然后將細(xì)菌暴露于噬菌體和其他感染元件，以觀察移植的防御系統(tǒng)是否是可行的。在研究人員檢查的各種系統(tǒng)中，

Sorek說，在計算機分析和實驗的各個階段之間，該研究需要在他的實驗室中工作兩年的六個人的密集努力。該研究由Shany Doron博士和Sarah Melamed領(lǐng)導(dǎo)，Gal Ofir，Azita Leavitt博士，Anna Lopatina博士和Gil Amitai博士密切參與。該團(tuán)隊每隔一周開會一次“防務(wù)委員會”會議，討論他們發(fā)現(xiàn)的研究和防御機制的不同部分。

研究人員仍然不知道新的細(xì)菌免疫系統(tǒng)是如何起作用的，有些人根據(jù)索雷克說，“似乎有令人驚訝的功能，我們現(xiàn)在開始調(diào)查。”這些系統(tǒng)之一包含Toll-Interleukin Receptor(或TIR)結(jié)構(gòu)域。已知TIR結(jié)構(gòu)域參與免疫系統(tǒng) - 但直到現(xiàn)在還不是微生物。這些結(jié)構(gòu)域是人體免疫系統(tǒng)甚至植物的組成部分，但它們以前從未在細(xì)菌中顯示出參與抗病毒防御。“我們的研究結(jié)果表明，我們自身免疫系統(tǒng)的一些重要部分在細(xì)菌免疫機制中具有深刻的進(jìn)化根源，”Sorek說。

其他基因似乎是從非防御性細(xì)菌系統(tǒng)中“借用”的。例如，從鞭毛中已知其中一種細(xì)菌用于游泳。這些基因通過使鞭毛能夠吸收質(zhì)子為鞭毛提供能量。在Sorek實驗室中發(fā)現(xiàn)的一種新的防御系統(tǒng)使用這些基因來防御噬菌體。另一種稱為縮合蛋白的細(xì)胞通常在細(xì)胞分裂過程中保護(hù)DNA，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用凝聚素機制的成分來保護(hù)細(xì)菌免受質(zhì)粒入侵 - 細(xì)小的DNA環(huán)可以寄生在細(xì)菌細(xì)胞中。

“我們設(shè)法找到10種新的細(xì)菌防御系統(tǒng)，這意味著它們還有更多，”索雷克說。“我的實驗室正在繼續(xù)尋找新的實驗室。此外，我們開始關(guān)注幾個更有前途的實驗室，以了解它們的運作方式。”

索雷克說，新的發(fā)現(xiàn)令人興奮，因為它們?yōu)槊庖呦到y(tǒng)的進(jìn)化和病毒與它們感染的生物之間的永恒戰(zhàn)斗提供了新的窗口。但他也認(rèn)為有些可能會成為生物研究的有力工具：“根據(jù)定義，每個免疫系統(tǒng)都需要以非常具體但靈活的方式瞄準(zhǔn)入侵元素，我們可以將這種瞄準(zhǔn)用于生物技術(shù)目的 - 因為我們已經(jīng)完成了CRISPR和限制酶的研究。我們發(fā)現(xiàn)的任何一種新系統(tǒng)可能是下一個基因編輯工具 - 或者甚至是更令人興奮的分子工具的基礎(chǔ)，“Sorek說。