Генетичната ножица CRISPR може да е оръжие срещу устойчивите на антибиотици бактерии

Екип от учени от Университета на Уисконсин-Мадисън и от Калифорнийския университет в Сан Франциско са пренастроили инструмента за редактиране на гени CRISPR, за да проучат кои гени са цел на определени антибиотици, как може да се подобрят съществуващите антибиотици или да се разработят нови.

Резистентността към много от настоящите антибиотици от патогени, причиняващи болести, е нарастващ проблем, като се оценява, че това застрашава милиони човешки животи и струва над 2 милиарда долара всяка година само в САЩ.

„Това, което трябва да направим, е да открием нови слабости в тези бактерии“, казва Джейсън Питърс, професор по фармацевтични науки в UW-Madison, който разработва новата система.

Техниката, известна като Mobile-CRISPRi, позволява на учените да изследват антибиотичната функция в широк спектър от патогенни бактерии.

Изследователите са прехвърлили Mobile-CRISPRi от общи лабораторни щамове в различни бактерии, включително дори малко изследван микроб, който се развивал в сирене. Тази лекота на прехвърляне прави техниката благодатна за учените, изучаващи всякакъв брой бактерии, които причиняват заболявания или обратно, подпомагат здравето.

Питърс работи с Карол Грос, Орен Розенберг и други колеги от UCSF, както и с други институции, за да проектират и тестват Mobile-CRISPRi. Системата намалява производството на протеин от целевите гени, което позволява на изследователите да определят как антибиотиците инхибират растежа на патогените. Това знание може да помогне за директни изследвания за преодоляване на резистентността към съществуващите лекарства.

Изследователите публикуваха резултатите си на 7 януари т.г. в списание Nature Microbiology. Те се възползват от все по-популярния молекулен инструмент CRISPR, но по уникален начин.

„Повечето хора, когато мислят за CRISPR, мислят за редактирането на гените“, казва Питърс, „но аз не правя това“.

Обикновено системата CRISPR се прицелва в ген, в който разрязва ДНК на две. Генът може да бъде редактиран, докато клетката ремонтира увреждането.

Но Питърс и неговите сътрудници работят с деформирана форма на CRISPR, известна като CRISPRi. CRISPRi е проектиран да не може да отреже ДНК. Вместо това, той просто седи в ДНК, блокирайки други протеини да получат достъп и да се обърнат към определен ген. Резултатът е по-ниска експресия на гена и намалено количество на протеина, който той кодира.

Изследователите показват, че ако намалят количеството протеин, насочено от антибиотик, бактериите стават много по-чувствителни към по-ниски нива на лекарството. Хиляди гени в даден момент могат да бъдат скринирани като потенциални антибиотични цели, като по този начин помагат на учените да разберат как действат антибиотиците и как да подобрят тяхното влияние.

За да направят CRISPRi мобилен, изследователите разработват методи за прехвърляне на системата от обикновени лабораторни модели като Е. coli към болестотворни видове, които често са по-трудни за изследване. Екипът на Питърс се обръща към един от естествените начини, по който бактериите се свързват и обменят ДНК, вид бактериален „секс“, наречен конюгация. Бившият професор по генетика на UW-Madison Джошуа Ледерберг открива конюгацията, която му носи Нобелова награда през 1958 година.

Използвайки конюгация, екипът на Питърс прехвърля Mobile-CRISPRi към патогените Pseudomonas, Salmonella, Staphylococcus и Listeria, наред с други.

„Това означава, че сега може да се направи проучване за това, как антибиотиците работят директно в тези патогени“, казва Питърс.

„Това може да ни даде по-добра представа за това, как тези лекарства работят в различните организми и за това, което можем да направим, за да действат по-добре.“

Истинският тест за мобилността на мобилния CRISPRi идва от сирене. Когато сиренето остарява, то организира и се грижи за собствения си пейзаж от микроби. Учените просто започват да изследват огромното разнообразие от бактерии и гъбички на сирена, които допринасят за техните сложни вкусове. Една от тези бактерии, Vibrio casei, е намерена върху кората на френско сирене през 2010 г. от сътрудника на Питърс, Рейчъл Дутън от Калифорнийския университет в Сан Диего.

Манипулиращите гени са прости в установените лабораторни бактерии като Е. coli, но често няма начин да се изследват гени в бактерии, наскоро изолирани от околната среда, като V. casei. Но Mobile-CRISPRi лесно се прехвърля в щама, откривайки нови възможности за разбиране на това как бактериите колонизират и помагат за стареене на сиренето.

Като доказателство на концепцията, опитът с V. casei предполага, че Mobile-CRISPRi трябва да бъде полезен за всякакъв брой преди това подценявани бактерии, както такива, които ни нараняват, така и такива, на които разчитаме и които са полезни за организма.

Сега Питърс предлага техниката Mobile CRISPRi и на други изследователи за да изучават микроби по избор.