자연의 마스터 조작자의 유전자를 편집하는 방법

[아름이]

자연의 마스터 조작자의 유전자를 편집하는 방법
과학자들은 CRISPR을 사용하여 박테리아를 조작하도록 진화한 바이러스를 조작하고 있습니다.
날짜:
2022년 12월 5일
원천:
DOE/로렌스 버클리 국립 연구소
요약:
노벨상을 수상한 유전자 편집 기술인 크리스퍼(CRISPR)는 미생물학 및 의학 분야에 다시 한 번 심대한 영향을 미칠 태세입니다. 한 팀이 희귀한 형태의 CRISPR을 사용하여 박테리오파지라고 하는 박테리아 감염 바이러스의 게놈을 편집하는 도구를 개발했습니다. 맞춤 설계된 파지를 쉽게 조작할 수 있는 능력은 연구원들이 위험한 약물 내성 감염을 치료하고 항생제나 독한 화학 물질 없이 마이크로바이옴을 제어하는 ​​데 도움이 될 것입니다.

노벨상을 수상한 유전자 편집 기술인 크리스퍼(CRISPR)는 미생물학 및 의학 분야에 다시 한 번 심대한 영향을 미칠 태세입니다.

CRISPR의 선구자인 Jennifer Doudna와 그녀의 오랜 협력자 Jill Banfield가 이끄는 팀은 희귀한 형태의 CRISPR을 사용하여 박테리오파지라고 하는 박테리아 감염 바이러스의 게놈을 편집하는 영리한 도구를 개발했습니다. 오랫동안 연구 커뮤니티를 피해 온 맞춤 설계된 파지를 쉽게 조작할 수 있는 능력은 연구자들이 항생제나 독한 화학 물질 없이 마이크로바이옴을 제어하고 위험한 약물 내성 감염을 치료하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 작업을 설명하는 논문은 최근 Nature Microbiology 에 게재되었습니다 .

"박테리오파지는 지구상에서 가장 풍부하고 다양한 생물학적 개체 중 하나입니다. 이전 접근 방식과 달리 이 편집 전략은 박테리오파지의 엄청난 유전적 다양성에 반대합니다."라고 Doudna 연구실의 박사후 연구원인 제1저자 Benjamin Adler가 말했습니다. "여기에는 흥미로운 방향이 너무 많습니다. 발견은 문자 그대로 우리의 손끝에 있습니다!"

간단히 파지라고도 하는 박테리오파지는 주사기와 같은 장치를 사용하여 자신의 유전 물질을 박테리아 세포에 삽입한 다음 숙주의 단백질 생성 기계를 납치하여 스스로 번식합니다. 일반적으로 그 과정에서 박테리아를 죽입니다. (전자 현미경 이미지에서 불길한 외계 우주선처럼 보인다는 사실이 드러났지만 인간을 포함한 다른 유기체에는 무해합니다.)

CRISPR-Cas는 많은 박테리아와 고세균이 파지에 대해 사용하는 일종의 면역 방어 메커니즘입니다. CRISPR-Cas 시스템은 파지 유전자의 서열에 상보적인 RNA의 짧은 스니펫으로 구성되어 미생물이 침입성 유전 물질이 삽입되었을 때 인식할 수 있게 하고 파지 유전자를 무해한 조각으로 절단하여 중화시키는 가위 모양의 효소로 구성됩니다. RNA에 의해 제자리로 안내된 후.

수천 년 동안 파지 공격과 박테리아 방어 사이의 끊임없는 진화 전쟁은 파지가 전문화되도록 강요했습니다. 미생물이 많기 때문에 각각 고유한 적응을 가진 파지도 많이 있습니다. 이 놀라운 다양성으로 인해 파지 편집이 어려워졌습니다. 여기에는 여러 형태의 CRISPR에 대한 내성이 포함되어 있습니다. 이것이 바로 가장 일반적으로 사용되는 시스템인 CRISPR-Cas9가 이 애플리케이션에 적합하지 않은 이유입니다.

Adler는 "파지는 항 CRISPR부터 자신의 DNA를 복구하는 데 능숙한 것까지 다양한 방법으로 방어를 피할 수 있습니다."라고 말했습니다. "그래서 어떤 의미에서 파지 게놈에 인코딩된 적응은 미생물을 잘 조작할 수 있게 만들어서 게놈 편집을 위한 범용 도구를 개발하는 것이 왜 그렇게 어려운지에 대한 정확한 이유입니다."

프로젝트 리더인 Doudna와 Banfield는 2008년 CRISPR의 초기 조사에 처음으로 협력한 이후로 함께 수많은 CRISPR 기반 도구를 개발했습니다. Doudna와 그녀의 다른 공동 작업자인 Emmanuelle Charpentier는 2020년에 상을 받았습니다. Doudna와 Banfield의 Berkeley Lab 팀과 UC Berkeley 연구원들은 CRISPR-Cas13(인간에서 일반적으로 발견되는 박테리아에서 파생됨)이라는 희귀한 형태의 CRISPR의 특성을 연구하고 있었습니다. 입) 이 버전의 방어 시스템이 엄청난 범위의 파지에 대해 작동한다는 것을 발견했을 때.

Adler는 CRISPR-Cas13의 파지 싸움 효능은 그것을 사용하는 미생물이 거의 없다는 점을 감안할 때 예상치 못한 것이라고 설명했습니다. 과학자들은 테스트에서 패한 파지가 이중 가닥 DNA를 사용하여 모두 감염되기 때문에 두 배로 놀랐지만 CRISPR-Cas13 시스템은 단일 가닥 바이러스 RNA만 표적으로 삼아 절단합니다. 다른 유형의 바이러스와 마찬가지로 일부 파지에는 DNA 기반 게놈이 있고 일부 파지는 RNA 기반 게놈이 있습니다. 그러나 알려진 모든 바이러스는 RNA를 사용하여 유전자를 발현합니다. CRISPR-Cas13 시스템은 모두 E. coli 균주를 감염시키지만 게놈 전반에 걸쳐 유사성이 거의 없는 9개의 다른 DNA 파지를 효과적으로 중화했습니다.

공저자이자 파지 전문가인 버클리 연구소 생명과학 분야의 스태프 과학자인 Vivek Mutalik에 따르면, 이러한 발견은 CRISPR 시스템이 박테리아 자체에 의해 DNA에서 변환된 후 RNA를 표적으로 함으로써 다양한 DNA 기반 파지로부터 방어할 수 있음을 나타냅니다. 단백질 번역 이전의 효소.

다음으로, 팀은 시스템이 파지 게놈을 방어적으로 자르는 것이 아니라 편집하는 데 사용될 수 있음을 시연했습니다.

첫째, 그들은 천연 파지 서열 옆에 생성하고자 하는 파지 서열로 구성된 DNA 조각을 만들어 파지의 표적 박테리아에 넣었다. 파지가 DNA 함유 미생물을 감염시켰을 때, 미생물 내부에서 번식하는 파지의 작은 비율이 변경된 DNA를 흡수하여 원래 서열 대신 게놈에 통합했습니다. 이 단계는 상동 재조합이라고 불리는 오랜 DNA 편집 기술입니다. 파지 연구에서 수십 년 된 문제는 실제 파지 게놈 편집인 이 단계가 잘 작동하지만 더 큰 정상 파지 풀에서 편집된 서열을 가진 파지를 분리하고 복제하는 것이 매우 까다롭다는 것입니다.

이것이 CRISPR-Cas13이 들어오는 곳입니다. 2단계에서 과학자들은 정상적인 파지 게놈 서열을 감지하고 방어하는 CRISPR-Cas13 시스템을 포함하도록 또 다른 숙주 미생물 균주를 조작했습니다. 1단계에서 만든 파지를 2차 숙주에 노출시켰을 때 원래 서열을 가진 파지는 CRISPR 방어 시스템에 의해 패배했지만 소수의 편집된 파지는 이를 회피할 수 있었다. 그들은 살아남았고 스스로를 복제했습니다.

3개의 관련 없는 E. coli 파지 를 사용한 실험 은 놀라운 성공률을 보여주었습니다. 2단계 프로세스에서 생성된 파지의 99% 이상이 편집을 포함했으며, 이는 막대한 다중 유전자 삭제에서 단일 유전자의 정확한 대체에 이르기까지 다양했습니다. 아미노산.

Mutalik은 "내 생각에 파지 공학에 대한 이 작업은 파지 생물학에서 가장 중요한 이정표 중 하나입니다."라고 말했습니다. "파지가 미생물 생태학, 진화, 집단 역학 및 독성에 영향을 미치기 때문에 박테리아와 그 파지의 원활한 공학은 기초 과학에 심오한 영향을 미칠 뿐만 아니라 생물 경제의 모든 측면에서 실질적인 차이를 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 건강, 이 파지 엔지니어링 기능은 생물 제조 및 농업에서 식품 생산에 이르기까지 모든 것에 영향을 미칠 것입니다."

초기 결과에 고무된 과학자들은 현재 CRISPR 시스템을 확장하여 미생물 토양 군집에 영향을 미치는 파지를 시작으로 더 많은 유형의 파지에서 사용하기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 또한 그것을 파지 게놈 내의 유전적 미스터리를 탐구하는 도구로 사용하고 있습니다. 박테리아와 바이러스 사이의 미세한 전쟁의 전리품에서 영감을 얻을 수 있는 다른 놀라운 도구와 기술이 무엇인지 누가 알겠습니까?

출처 : https://www.sciencedaily.com/