萊斯大學(xué)的一項(xiàng)研究表明，計(jì)劃使用CRISPR基因組編輯系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)計(jì)師腸道細(xì)菌的研究人員可能需要考慮微生物免疫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演變。CRISPR是一種獲得性免疫系統(tǒng)，允許細(xì)菌和其他單細(xì)胞生物存儲(chǔ)DNA片段，以保護(hù)自己免受噬菌體病毒的侵害。該系統(tǒng)允許細(xì)胞“記住”并對(duì)其先前曾與之抗?fàn)幍氖删w進(jìn)行防御。從2012年開始，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們可以使用CRISPR蛋白精確編輯細(xì)菌以及動(dòng)物和人類的基因組。該發(fā)現(xiàn)在2015年獲得了科學(xué)雜志的年度突破，最終可以讓科學(xué)家重新編程遺傳病患者的細(xì)胞。

盡管使用CRISPR進(jìn)行基因組編輯方面取得了快速進(jìn)展，但科學(xué)家仍然對(duì)CRISPR防御如何在細(xì)菌和其他單細(xì)胞原核生物中進(jìn)化而存在許多疑問。來(lái)自Rice的物理學(xué)家和生物工程師Michael Deem于2010年首次被吸引到CRISPR，并創(chuàng)建了許多計(jì)算機(jī)模型來(lái)探索CRISPR的內(nèi)部運(yùn)作。

在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)界面雜志的一項(xiàng)新研究中，Deem和前研究生Pu Han發(fā)現(xiàn)噬菌體和細(xì)菌之間存在著微妙的相互作用，這種相互作用可能會(huì)發(fā)生變化，這取決于兩者相遇的頻率以及每一種疾病的防御速度。另一個(gè)。該研究記錄了細(xì)菌和噬菌體之間奇怪的生存 - 滅絕模式，這有助于解釋阻礙CRISPR研究人員的看似相互矛盾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

“噬菌體和細(xì)菌之間存在共同進(jìn)化，”Deem說(shuō)。“這些細(xì)菌含有來(lái)自噬菌體的DNA，這可以保護(hù)細(xì)菌或其后代免受這些噬菌體的侵害。

像所有生物一樣，只攻擊單細(xì)胞生物的噬菌體也在不斷發(fā)展。Deem說(shuō)，他們變異和改變DNA序列的速率是一個(gè)變量，可以影響CRISPR識(shí)別和對(duì)抗它們的程度。在建模CRISPR時(shí)必須考慮的另一個(gè)因素是可用于儲(chǔ)存噬菌體DNA的有限空間。CRISPR不斷獲取新片段并丟棄舊片段。另一個(gè)參數(shù)是遇到率，或細(xì)菌和噬菌體接觸的頻率。

“如果我們從包含這些參數(shù)的簡(jiǎn)單模型中繪制結(jié)果，我們會(huì)看到結(jié)果分為三個(gè)區(qū)域或階段，其中一個(gè)是CRISPR勝出并驅(qū)使噬菌體滅絕，一個(gè)噬菌體獲勝并殺死細(xì)菌和第二階段兩者并存，“迪姆說(shuō)。

物理學(xué)家經(jīng)常使用這種相圖來(lái)探測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。通過(guò)改變相遇和突變率，科學(xué)家們可以探索特定組合如何將系統(tǒng)從一個(gè)階段驅(qū)動(dòng)到另一個(gè)階段。

在這項(xiàng)新研究中，現(xiàn)在是Google軟件工程師的Deem和Han發(fā)現(xiàn)，遇到和突變率的某些組合產(chǎn)生了意想不到的結(jié)果，一個(gè)五區(qū)域相圖，其中噬菌體兩次繁殖，兩次幾乎被殺死，謝謝探討CRISPR添加滴速率與細(xì)菌暴露于噬菌體的速率之間復(fù)雜的相互作用。

“一般來(lái)說(shuō)，我們可能會(huì)認(rèn)為，在高暴露率下，CRISPR免疫系統(tǒng)會(huì)驅(qū)使噬菌體滅絕，因?yàn)樗?jīng)常會(huì)遇到它們，足以在CRISPR中獲得DNA的當(dāng)前副本，”Deem說(shuō)。“在我們的相圖中，我們將其稱為區(qū)域四，我們的第一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，雖然在這種情況下可能會(huì)滅絕，但我們可以計(jì)算出一個(gè)概率，即噬菌體會(huì)逃逸而不會(huì)滅絕。這種自然變異是有意義的。

“第二點(diǎn)是，當(dāng)我們降低噬菌體對(duì)細(xì)菌的暴露率時(shí)，現(xiàn)在每單位時(shí)間感染細(xì)菌的噬菌體越來(lái)越少，細(xì)菌減少了從噬菌體中獲取DNA的機(jī)會(huì)，噬菌體現(xiàn)在可以與細(xì)菌共存“他說(shuō)。“我們把這個(gè)地區(qū)稱為三個(gè)。所以，我們已經(jīng)從滅絕變?yōu)榉菧缃^，我們現(xiàn)在已經(jīng)共存了。這是預(yù)期的，也是非常合理的。

“令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)降低暴露率甚至更多 - 細(xì)菌現(xiàn)在將DNA復(fù)制到CRISPR的機(jī)會(huì)更少 - 導(dǎo)致噬菌體滅絕的另一個(gè)階段。這是第二區(qū)。人們會(huì)沒想到的。“

在檢查這一結(jié)果時(shí)，Deem和Han發(fā)現(xiàn)第二次滅絕事件的發(fā)生是因?yàn)楦腥韭屎图?xì)菌生長(zhǎng)率是相同的，并且任何對(duì)噬菌體獲得免疫力的細(xì)菌都會(huì)迅速繁殖，以超過(guò)所有其他細(xì)菌和噬菌體。在這種滅絕事件中，CRISPR中的單拷貝病毒DNA允許細(xì)菌擊敗噬菌體。這與區(qū)域四 - 高暴露情況不同 - 其中CRISPR中的許多DNA拷貝允許多種細(xì)菌菌株擊敗噬菌體。

Deem說(shuō)，這些結(jié)果有助于解釋之前與CRISPR研究界混淆的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

“關(guān)于CRISPR是否可以控制噬菌體以及在什么情況下導(dǎo)致共存存在一些爭(zhēng)議，”Deem說(shuō)。“其原因在于各種實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了區(qū)域2,3和4的結(jié)果。我們的結(jié)果闡明了可能性的范圍，并確認(rèn)該范圍至少已部分測(cè)量。”

Deem表示，這些發(fā)現(xiàn)僅適用于CRISPR在細(xì)菌和原核系統(tǒng)中的應(yīng)用。如果研究人員試圖使用CRISPR基因編輯工具修改這些生物或影響它們的噬菌體，則應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)。

“例如，人們將最終開始編輯微生物組，有益腸道細(xì)菌和噬菌體的社區(qū)，有助于保持人們的健康，”Deem說(shuō)。“現(xiàn)在正在進(jìn)行大量工作來(lái)設(shè)計(jì)微生物組以使人們更健康，控制肥胖或情緒。對(duì)于那些對(duì)噬菌體 - 微生物組相互作用感興趣的人來(lái)說(shuō)，重要的是要考慮到這些進(jìn)化的微妙之處。“