Исследование Университета Райса предполагает, что исследователям, планирующим использовать систему редактирования генома CRISPR для создания дизайнерских кишечных бактерий, возможно, потребуется учитывать динамическую эволюцию микробной иммунной системы.
CRISPR - это приобретенная иммунная система, которая позволяет бактериям и другим одноклеточным организмам хранить фрагменты ДНК для защиты от вирусов, называемых фагами. Система позволяет клетке «вспомнить» и установить защиту от фагов, с которыми она ранее сражалась.
Начиная с 2012 года ученые обнаружили, что могут использовать белки CRISPR для точного редактирования геномов не только бактерий, но также животных и человека. Это открытие было признано журналом Science «Прорывом года» в 2015 году и в конечном итоге может позволить ученым перепрограммировать клетки людей с генетическими заболеваниями.
Несмотря на стремительный прогресс в использовании CRISPR для редактирования геномов, у ученых все еще остается много вопросов о том, как развивалась защита CRISPR у бактерий и других одноклеточных прокариотических организмов. Майкл Дим, физик и биоинженер из Райса, впервые обратился к CRISPR в 2010 году и создал ряд компьютерных моделей для изучения внутренней работы CRISPR.
В новом исследовании, опубликованном в Journal of the Royal Society Interface, Дим и бывший аспирант Пу Хань обнаружили тонкое взаимодействие между фагами и бактериями, которое может меняться в зависимости от того, как часто они встречаются друг с другом и как быстро каждый развивает защиту против другого. Исследование зафиксировало странную модель выживания-вымирания между бактериями и фагами, которая помогает объяснить, казалось бы, противоречивые экспериментальные результаты, которые поставили в тупик исследователей CRISPR.
«Между фагами и бактериями происходит совместная эволюция», - сказал Дим. «Бактерии включают ДНК фагов, и это позволяет бактериям или их потомкам защищаться от этих фагов.
Как и все живые существа, фаги, атакующие только одноклеточные организмы, постоянно эволюционируют. Дим сказал, что скорость, с которой они мутируют и изменяют свою последовательность ДНК, является одной из переменных, которые могут влиять на то, насколько хорошо CRISPR может распознавать их и бороться с ними. Другим фактором, который необходимо учитывать при моделировании CRISPR, является ограниченное пространство, доступное для хранения фаговой ДНК. CRISPR постоянно получает новые фрагменты и выбрасывает старые. Дополнительным параметром является частота встречаемости, или как часто бактерии и фаги вступают в контакт.
Если мы нанесем на график результаты простой модели, включающей эти параметры, мы увидим, что результаты делятся на три области, или фазы, одна из которых CRISPR побеждает и приводит к исчезновению фагов, победа и уничтожение бактерий и третья фаза, в которой они сосуществуют», - сказал Дим.
Физики часто используют такие фазовые диаграммы для исследования динамики систем. Изменяя скорость встреч и мутаций, ученые могут исследовать, как определенные комбинации переводят систему из одной фазы в другую.
В новом исследовании Дим и Хан, которые сейчас работают инженером-программистом в Google, обнаружили, что определенные комбинации частот встречаемости и мутаций дали неожиданный результат - фазовую диаграмму с пятью областями, где фаги дважды процветали и дважды почти уничтожены благодаря сложному взаимодействию между скоростью добавления и отбрасывания CRISPR и скоростью, с которой бактерии подвергались воздействию фагов.
«Вообще говоря, мы могли бы ожидать, что при высоких уровнях воздействия иммунная система CRISPR приведет к исчезновению фагов, потому что она будет сталкиваться с ними достаточно часто, чтобы иметь текущую копию их ДНК в CRISPR», - считает Дим. сказал.«На нашей фазовой диаграмме мы называем это четвертой областью, и наш первый интересный вывод состоит в том, что, хотя в этом случае вероятно вымирание, всегда существует вероятность, которую мы можем рассчитать, что фаги ускользнут и не вымрут. Эта естественная изменчивость представляет интерес.
Второй момент заключается в том, что по мере того, как мы снижаем скорость контакта фагов с бактериями, и теперь меньше фагов заражают бактерии в единицу времени, у бактерий уменьшаются возможности получать ДНК от фагов, и теперь фаги могут сосуществовать с бактериями», - сказал он. «Мы называем этот регион номер три. Итак, мы перешли от вымирания к вымиранию, и теперь у нас есть сосуществование. Это ожидаемо и очень разумно.
"Удивительно, но мы обнаружили, что еще большее снижение уровня воздействия - случай, когда у бактерий теперь еще меньше возможностей копировать ДНК в CRISPR - привело к другой фазе, когда фаги были вынуждены вымирать. Это второй регион. И люди не ожидали этого."
Исследуя этот результат, Дим и Хан обнаружили, что второе вымирание произошло из-за того, что скорость заражения и скорость роста бактерий были одинаковыми, и любые бактерии, приобретшие иммунитет к фагам, будут воспроизводиться достаточно быстро, чтобы превзойти конкурентов. как все остальные бактерии, так и фаги. В этом случае вымирания единственная копия вирусной ДНК в CRISPR позволила бактериям победить фаги. Это отличалось от четвертой области - случая высокой экспозиции - где множество копий ДНК в CRISPR позволяло нескольким штаммам бактерий побеждать фаги.
Дим сказал, что результаты помогают объяснить результаты предыдущих экспериментов, которые сбили с толку исследовательское сообщество CRISPR.
«Были некоторые разногласия по поводу того, может ли CRISPR контролировать фаги и какие обстоятельства приводят к сосуществованию», - сказал Дим. «Причина этого в том, что различные эксперименты дали результаты для регионов два, три и четыре. Наши результаты проясняют диапазон возможностей и подтверждают, что этот диапазон был хотя бы частично измерен».
Дим сказал, что результаты применимы только к использованию CRISPR в бактериальных и прокариотических системах. В тех случаях, когда исследователи пытаются использовать инструменты редактирования генов CRISPR для модификации этих организмов или воздействующих на них фагов, следует учитывать динамику.
«Например, люди в конечном итоге начнут редактировать микробиом, сообщество полезных кишечных бактерий и фагов, которые помогают поддерживать здоровье людей», - сказал Дим. «В настоящее время проводится большая работа по разработке микробиома, чтобы сделать людей более здоровыми, например, для контроля ожирения или настроения. эволюционные тонкости."