威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究員的大學(xué)和他的合作者在加州大學(xué)舊金山分校已經(jīng)改變用途的基因編輯工具CRISPR研究哪些基因是由特定的抗生素有針對(duì)性的，提供了關(guān)于如何提高現(xiàn)有抗生素或開(kāi)發(fā)新的線索。

致病病原體對(duì)目前抗生素的耐藥性是一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題，據(jù)估計(jì)，美國(guó)每年造成數(shù)百萬(wàn)人喪生，每年花費(fèi)超過(guò)20億美元。

“我們需要做的是弄清楚這些細(xì)菌的新弱點(diǎn)，”開(kāi)發(fā)新系統(tǒng)的威斯康星大學(xué)麥迪遜制藥科學(xué)教授杰森彼得斯說(shuō)。

這項(xiàng)名為Mobile-CRISPRi的技術(shù)使科學(xué)家能夠篩選各種致病菌的抗生素功能。

研究人員利用一種細(xì)菌性的形式將Mobile-CRISPRi從常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)室菌株轉(zhuǎn)移到不同的細(xì)菌中，甚至包括一些研究不多的微生物，使其成為奶酪的家。這種易于轉(zhuǎn)移使得該技術(shù)成為科學(xué)家研究任何導(dǎo)致疾病或促進(jìn)健康的細(xì)菌的福音。

Peters與Carol Gross，Oren Rosenberg以及加州大學(xué)舊金山分校和其他機(jī)構(gòu)的其他同事一起設(shè)計(jì)和測(cè)試了Mobile-CRISPRi。該系統(tǒng)減少了靶基因中蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，使研究人員能夠確定抗生素如何抑制病原體的生長(zhǎng)。這些知識(shí)可以幫助指導(dǎo)研究克服對(duì)現(xiàn)有藥物的抵抗力。

研究人員于1月7日在“ 自然微生物學(xué) ”雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。他們利用日益流行的分子工具CRISPR，但以獨(dú)特的方式。

“大多數(shù)人，當(dāng)他們考慮CRISPR時(shí)，會(huì)考慮基因編輯，”彼得斯說(shuō)，他在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校獲得博士學(xué)位，最近加入了藥學(xué)院擔(dān)任助理教授。“但這不是我做的事。”

通常，CRISPR系統(tǒng)被靶向一個(gè)基因，在那里它將DNA切成兩半。當(dāng)細(xì)胞修復(fù)損傷時(shí)，可以編輯基因。

但彼得斯和他的合作者使用被稱為CRISPRi的一種被摧毀的CRISPR形式。CRISPRi已被設(shè)計(jì)為無(wú)法切割DNA。相反，它只是坐在DNA上，阻止其他蛋白質(zhì)進(jìn)入并打開(kāi)特定基因。結(jié)果是基因的表達(dá)降低，并且其編碼的蛋白質(zhì)的量減少。

研究人員表明，如果他們減少抗生素靶向蛋白質(zhì)的數(shù)量，細(xì)菌對(duì)較低水平的藥物變得更加敏感 - 這是基因和藥物之間關(guān)聯(lián)的證據(jù)。一次可以將數(shù)以千計(jì)的基因篩選為潛在的抗生素目標(biāo)，幫助科學(xué)家了解抗生素的工作原理以及如何改善抗生素。

為了使CRISPRi移動(dòng)，研究人員開(kāi)發(fā)了將系統(tǒng)從大腸桿菌等常見(jiàn)實(shí)驗(yàn)室模型轉(zhuǎn)移到致病物種的方法，這些物種往往更難研究。彼得斯的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了細(xì)菌連接和交換DNA的自然方式之一，這是一種叫做結(jié)合的細(xì)菌性。前威斯康星大學(xué)麥迪遜遺傳學(xué)教授Joshua Lederberg發(fā)現(xiàn)了結(jié)合，這使他在1958年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

“你基本上將細(xì)菌混合在一起就會(huì)發(fā)生，”彼得斯談到結(jié)合。“它并沒(méi)有那么容易。”

使用綴合，Peters的團(tuán)隊(duì)將Mobile-CRISPRi轉(zhuǎn)移到病原體Pseudomonas，Salmonella，Staphylococcus和Listeria等。

“這意味著你現(xiàn)在可以研究抗生素如何在這些病原體中直接起作用，”彼得斯說(shuō)。“這可以讓我們更好地了解這些藥物在不同生物體中如何發(fā)揮作用，以及我們可以做些什么來(lái)使它們更好。”

Mobile-CRISPRi移動(dòng)性的真正考驗(yàn)來(lái)自奶酪。

隨著奶酪的老化，它會(huì)策劃自己的微生物景觀?？茖W(xué)家們剛剛開(kāi)始研究奶酪中細(xì)菌和真菌的巨大多樣性，這有助于它們的復(fù)雜口味。2010年，彼得斯的加州大學(xué)圣地亞哥分校的合作者Rachel Dutton在法國(guó)奶酪的外皮上發(fā)現(xiàn)了其中一種細(xì)菌干酪乳桿菌(Vibrio casei)。

操縱基因在已建立的實(shí)驗(yàn)室細(xì)菌(如大腸桿菌)中很簡(jiǎn)單，但通常無(wú)法研究最近從環(huán)境中分離出的細(xì)菌中的基因，如干酪乳桿菌。但Mobile-CRISPRi很容易轉(zhuǎn)移到菌株中，為了解細(xì)菌如何定殖并幫助老化奶酪開(kāi)辟了新的途徑。作為一個(gè)概念驗(yàn)證，V。casei認(rèn)為，Mobile-CRISPRi應(yīng)該對(duì)任何先前未充分研究的細(xì)菌有用，包括那些傷害我們和我們依賴的細(xì)菌。

現(xiàn)在Peters正在向其他研究人員提供Mobile-CRISPRi來(lái)研究他們選擇的細(xì)菌。

“所以現(xiàn)在它將完全可供社區(qū)使用，”彼得斯說(shuō)。“現(xiàn)在這給了人們前進(jìn)的道路。”

這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(F32 GM108222和R01 GM102790)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家食品和農(nóng)業(yè)研究所孵化項(xiàng)目NYC-189438的支持。