两种新方法可以同时对多种细胞类型的基因进行CRISPR编辑

两种新方法可以同时对多种细胞类型的基因进行CRISPR编辑。

迄今为止，CRISPR酶已被用于一次编辑一种细胞的基因组:例如，它们对组织或器官内的特定细胞或生长在试管中的一种微生物进行剪切、删除或添加基因。

虽然这项技术仍然只应用于实验室环境，但它可以用于编辑和跟踪自然群落中的微生物，例如在肠道或植物的根部，数百或数千种不同的微生物聚集在一起。当科学家谈论基因改变微生物种群时，这种追踪变得非常必要:例如，将基因插入肠道中的微生物以解决消化问题，或者改变作物的微生物环境以使它们更能抵御害虫。

如果没有跟踪基因插入的方法(在这种情况下是使用条形码)，这样插入的基因可能会在任何地方消失，因为微生物之间通常共享基因。

为了成功编辑微生物群落中多个成员的基因，加州大学伯克利分校的科学家们必须开发两种新方法:环境转化测序(ET-Seq)，上面这一方法使他们能够评估特定微生物的可编辑性;以及DNA编辑的all-in-one RNA引导的CRISPR-Cas转座酶(DART)，它允许高度特异的靶向DNA插入到由引导RNA确定的基因组位置。DART系统有条形码，并与ET-Seq兼容，因此，当与ET-Seq一起使用时，科学家可以插入、跟踪和评估插入效率和特异性。资料来源:加州大学伯克利分校吉尔·班菲尔德实验室

加州大学伯克利分校的博士后研究员本杰明·鲁宾说:“打破和改变分离微生物中的DNA对于理解DNA的作用至关重要。”“这项工作有助于将这种基本方法引入微生物群落，它们更能代表这些微生物在自然界中如何生活和功能。”

同时“散弹枪”编辑多种类型的细胞或微生物的能力可能在当前工业规模的系统中很有用例如，用于批量培养细胞的生物反应器，更直接的应用可能是作为理解细菌、古菌和真菌的复杂群落结构，以及这些不同种群中的基因流动的工具。

博士后布拉迪·克莱斯说:“最终，我们可能能够消除导致肠道细菌生病的基因，或者通过改造它们的微生物伙伴，让植物更高效。”“但在我们这么做之前，这种方法可能会让我们更好地了解微生物在群落中是如何运作的。”

Rubin和Cress都在CRISPR-Cas9发明者Jennifer Doudna的实验室，以及创新基因组学研究所(IGI)的项目科学家Spencer Diamond是描述该技术的论文的共同第一作者，该论文发表在今天(12月6日)的《自然微生物学》杂志上。

从人口普查到编辑

Diamond在吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)的实验室工作，班菲尔德是社区测序或宏基因组学领域的先驱:猎枪测序一个复杂的微生物群落中的所有DNA，并将这些DNA组装成所有这些生物的完整基因组，其中一些可能从未见过，其中许多不可能在实验室培养皿中培养。

宏基因组测序技术在过去的15年里取得了巨大的进步。2019年，戴蒙德从加州北部一处草地采集的土壤样本中收集了近800种微生物的1万个个体基因组。

但他将其比作人口普查:它提供了关于哪些微生物以何种比例存在，以及这些微生物在群落中能够发挥何种功能的无与伦比的信息。它可以让你推断生物体之间复杂的相互作用，以及它们如何共同工作以实现重要的生态效益，比如固定氮。但这些观察结果只是假设;戴蒙德说，需要新的方法来在社区层面上实际测试这些功能和互动。

他说:“有一种代谢传递的想法，即没有单个微生物执行一系列巨大的代谢功能，但在大多数情况下，每个个体有机体只执行一个过程的单个步骤，因此在生物体之间必须有一些代谢产物的传递。”“这是假设，但我们如何证明它呢?”我们如何才能做到不再只是观察鸟类，我们可以做一些操作，看看发生了什么?这就是社区编辑的起源。”

该研究团队由加州大学伯克利分校地球与行星科学、环境科学、政策与管理教授班菲尔德和加州大学伯克利分校分子与细胞生物学和化学教授詹妮弗·杜德纳领导，霍华德·休斯医学研究所研究员，因发明CRISPR-Cas9基因组编辑技术而获得2020年诺贝尔化学奖。

该团队首先开发了一种方法来确定群落中哪些微生物实际上容易受到基因编辑的影响。鲁宾和戴蒙德开发的筛选技术被称为ET-seq(环境转化测序)，它使用转座子或跳跃基因作为探针，可以很容易地随机插入许多微生物基因组中。通过在引入转座子之前和之后对群落DNA进行测序，他们能够确定哪些种类的微生物能够结合转座子基因。该方法是基于劳伦斯伯克利国家实验室的Adam Deutschbauer开发的技术。在一项涉及9种不同微生物群落的实验中，他们成功地用不同的转化方法将相同的转座子插入其中5种微生物中。

然后，Cress开发了一种名为DNA编辑all -in- in- RNA-guided CRISPR Cas转座酶(DART)的靶向传递系统，该系统使用类似于CRISPR- cas9的CRISPR-Cas酶定位特定的DNA序列，并插入条形码转座。

为了用更真实的微生物群落测试DART技术，研究人员从一个婴儿身上提取粪便样本，并培养它，以创建一个主要由14种不同类型的微生物组成的稳定群落。他们能够编辑该群体中的单个大肠杆菌菌株，以与疾病相关的基因为目标。

研究人员希望利用这项技术来了解人工的、简单的群落，比如在一个封闭的盒子里的植物及其相关的微生物群落。然后，他们可以在这个封闭的系统中操纵群落基因，并跟踪其对条形码微生物的影响。这些实验是由能源部资助的一个名为m- cafe的为期10年的项目的一个方面，该项目旨在了解一个简单的草地微生物群落对外界变化的反应。m- cafe是土壤微生物群落分析和功能评估的项目。Banfield, Doudna和Deutschbauer是m- cafe项目的一部分。

参考文献：

“Species- and site-specific genome editing in complex bacterial communities” by Benjamin E. Rubin, Spencer Diamond, Brady F. Cress, Alexander Crits-Christoph, Yue Clare Lou, Adair L. Borges, Haridha Shivram, Christine He, Michael Xu, Zeyi Zhou, Sara J. Smith, Rachel Rovinsky, Dylan C. J. Smock, Kimberly Tang, Trenton K. Owens, Netravathi Krishnappa, Rohan Sachdeva, Rodolphe Barrangou, Adam M. Deutschbauer, Jillian F. Banfield and Jennifer A. Doudna, 6 December 2021, Nature Microbiology.