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迄今为止，CRISPR 酶已被用于一次编辑一种类型的细胞的基因组：例如，它们将基因剪切、删除或添加到组织或器官内的特定类型的细胞中，或添加到一种正在生长的微生物中。 在试管中。 CRISPR is widely used to target specific cell types, but only one at a time. Researchers have now developed methods to edit genes in multiple organisms within a diverse community of microbes simultaneously, a first step toward editing microbiomes such as those in the gut or on plants. One method assesses which microbes are editable; a second adds genes with a barcode that allows scientists to insert, track and assess insertion efficiency and specificity. 现在，加州大学伯克利分校近 10 年前发明了 CRISPR-Cas9 基因组编辑技术的小组找到了一种方法，可以在许多不同物种的群落中同时添加或修改基因，为所谓的“ 社区编辑。” 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编辑过的微生物，例如肠道或植物根部，成百上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，这种追踪变得必要：例如，将基因插入肠道微生物中以解决消化问题，或改变作物的微生物环境以使其对害虫更具抵抗力。 如果没有追踪基因插入的方法——在这种情况下使用条形码——这种插入的基因可能会出现在任何地方，因为微生物通常会在它们之间共享基因。 加州大学伯克利分校博士后研究员 Benjamin Rubin 说：“破坏和改变分离微生物中的 DNA 对理解 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，这些方法更能代表这些微生物在自然界中的生活和运作方式。” 虽然一次“霰弹枪”编辑多种类型的细胞或微生物的能力在当前的工业规模系统中可能很有用——例如，用于批量培养细胞的生物反应器，但更直接的应用可能是作为理解结构的工具 细菌、古细菌和真菌的复杂群落，以及这些不同种群中的基因流动。 “最终，我们可能能够消除导致肠道细菌疾病的基因，或者通过改造微生物伙伴来提高植物的效率，”博士后研究员 Brady Cress 说。 “但很可能，在我们这样做之前，这种方法将使我们更好地了解微生物在社区中的功能。” 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 是一篇描述今天出现的技术的论文的共同第一作者 (12 月 . 6) 在《自然微生物学》杂志上。 从普查到编辑 Diamond 在地球微生物学家 Jill Banfield 的实验室工作，他是社区测序或宏基因组学领域的先驱：对复杂微生物群落中的所有 DNA 进行霰弹枪测序，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 以前从未见过，其中许多不可能在实验室培养皿中生长。 在过去的 15 年中，宏基因组测序取得了巨大的进步。 2019 年，Diamond 从加利福尼亚北部草原草甸收集的土壤样本中组装了近 800 个微生物物种的 10,000 个个体基因组。 但他将这与人口普查进行了比较：它提供了有关哪些微生物以何种比例存在以及这些微生物在社区内可以发挥哪些功能的无与伦比的信息。 它允许您推断生物之间复杂的相互作用以及它们如何协同工作以实现重要的生态系统效益，例如固氮。 但这些观察结果只是假设； 戴蒙德说，需要新方法在社区层面实际测试这些功能和相互作用。 “有一个代谢交接的想法——没有一个微生物在执行大量的代谢功能，但在大多数情况下，每个个体生物都在做一个过程的一个步骤，并且必须有一些交接 生物体之间的代谢物，”他说。 “这是假设，但我们如何实际证明这一点？我们如何达到不再只是观察鸟类的地步，我们实际上可以进行一些操作并看看发生了什么？这就是 社区编辑。” 该研究团队由加州大学伯克利分校地球与行星科学以及环境科学、政策和管理教授班菲尔德和加州大学伯克利分校分子和细胞生物学和化学教授、霍华德休斯医学研究所研究员和共同获奖者詹妮弗杜德纳领导 因发明 CRISPR-Cas9 基因组编辑而获得 2020 年诺贝尔化学奖。 该团队首先开发了一种方法来确定社区中的哪些微生物实际上容易受到基因编辑的影响。 Rubin 和 Diamond 开发的筛选技术称为 ET-seq（环境转化测序），使用转座子或跳跃基因作为探针，可轻松随机插入许多微生物基因组。 通过在引入转座子之前和之后对群落 DNA 进行测序，他们能够确定哪些微生物种类能够掺入转座子基因。 该方法基于劳伦斯伯克利国家实验室的合著者 Adam Deutschbauer 开发的技术。 在一项涉及九种不同微生物群落的实验中，他们使用不同的转化方法成功地将相同的转座子插入到其中的五种微生物中。 随后，Cress 开发了一种名为 DNA 编辑一体化 RNA 引导的 CRISPR Cas 转座酶 (DART) 的靶向递送系统，该系统使用类似于 CRISPR-Cas9 的 CRISPR-Cas 酶定位特定 DNA 序列并插入条 编码转座子。 为了用更真实的微生物群落测试 DART 技术，研究人员从婴儿身上采集了粪便样本并对其进行培养，以创建一个主要由 14 种不同类型微生物组成的稳定群落。 他们能够编辑该社区内的单个大肠杆菌菌株，靶向与疾病相关的基因。 研究人员希望利用该技术在封闭的盒子中了解人工、简单的群落，例如植物及其相关微生物组。 然后，他们可以在这个封闭系统内操纵群落基因，并追踪对其条形码微生物的影响。 这些实验是由能源部资助的一项名为 m-CAFE 的为期 10 年的计划的一个方面，该计划用于土壤中的微生物群落分析和功能评估，旨在了解简单的草微生物群对外部变化的反应。 Banfield、Doudna 和 Deutschbauer 是 m-CAFEs 项目的一部分。 该研究得到了 m-CAFEs (DE-AC02-05CH11231) 和美国国立卫生研究院国立普通医学科学研究所 (F32GM134694, F32GM131654) 的支持。 该论文的其他合著者是 Alexander Crits-Christoph、Yue Clare Lou、Adair Borges、Haridha Shivram、Christine He、Michael Xu、Zeyi Zhou、Sara Smith、Rachel Rovinsky、Dylan Smock、Kimberly Tang、Netravathi Krishnappa 和 Rohan Sachdeva 加州大学伯克利分校； 伯克利实验室的 Trenton Owens； 和北卡罗来纳州立大学的 Rodolphe Barrangou。
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