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通过CRISPR正面应对抗生素耐药性

随着基因工程的现代进步几乎每天发生,最新发现涉及抗生素耐药性。使用功能强大的基因编辑器CRISPR,科学家报告了一种基因驱动系统的开发,该系统在灭活负责使该细菌具有抗药性的特定细菌基因方面的效率是其他现有系统的100倍,并且以多拷贝形式存在相同的细菌细胞 该论文于2019年12月16日发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,使用了由加州大学圣地亚哥分校生物学家首创的称为主动遗传学的技术。

在过去的几十年中,抗生素在全球范围内被大量滥用。在此期间,它们也被常规引入动物饲料中,作为商业动物食品生产的一部分。这两种趋势的结果是在陆地和水中环境中抗生素的广泛存在。这反过来引起了抗生素耐药性的高且上升的流行。

抗生素抗性是微生物(无论是细菌,病毒还是寄生虫)阻止抗生素对它的活性的能力,从而使感染持续存在并传播给其他人。表现出抗药性的细菌和真菌的范围每天都在增加。这是对公共卫生的严重担忧威胁,世界卫生组织以及许多国家卫生组织已经阐明了遏制和采取措施的措施。

细菌从环境中的其他微生物获得抗生素抗性,而这又可以传播给人类。卫生专业人员说,结果是,全世界的抗生素耐药性急剧上升,并且在两到三十年内,抗生素耐药性可能会失控。他们预测,如果不阻止目前的趋势,到2050年,由于耐药菌感染可能会导致1000万人死亡。

这项新技术使用了Pro-AG系统,即主动遗传系统。这是一种旨在改变昆虫和哺乳动物遗传性状遗传方式的方法。这些特征称为“首选特征”。它使用了一个指导RNA(gRNA),其旁边的序列与目标位点同源以进行编辑。一旦使用gRNA / Cas9编辑器切割了要编辑的DNA双链,gRNA就会连同其携带的任何其他序列(“ gRNA盒”)一起插入到断裂中。这使其成为首选特性,因此几乎可以传播给每个后代。

为了实现这一目标,科学家使用了一种适应形式的CRISPR-Cas9基因编辑器来修饰大肠杆菌中的DNA。他们研究出了一种可以中断赋予抗生素抗性基因的活性的方法。他们的主要重点是防止携带抗性状的质粒的传播。

质粒是环状DNA分子,能够独立复制,而不仅仅是细菌DNA复制时。这种能力意味着每个质粒可以在细菌细胞中以多个拷贝存在。这种现象称为质粒扩增,可使该性状从一种细菌菌株或物种转移到另一种细菌或物种,使其很难治疗越来越多的感染。

为了解决这个问题,Pro-AG系统使用两步过程来切掉不需要的材料并修复切割的末端。使用此方法,科学家们能够在目标部位破坏抗生素抗性标记物的情况下获得结果,其效率是使用任何可比方法的结果的100倍或以上,而这些结果是基于切除的结果并破坏基因。编辑的质粒仍然能够复制并传播到其他细菌,但是不再产生耐药性。

为了证明该技术的有效性,研究人员在实验室细菌培养中使用了该技术,该细菌培养物中含有大量携带已知基因的质粒,这些已知基因赋予了对常见抗生素氨苄青霉素的抗性。为此,Pro-AG系统包括一个编辑机制,可通过正反馈环放大其结果,该正反馈环随着gRNA剂量随每轮复制而增加而被激活。这是其高效率的主要原因。

准备好编辑的质粒后,将其以极高的精度插入靶位点。这有一天可以帮助患有慢性细菌感染的患者得到治疗和治愈。

Pro-AG系统尚处于临床前阶段,但不难设想可以进行改良以允许使用携带Pro-AG的人体递送系统来消除囊性纤维化等疾病中抗生素耐药性的遗传基础感染,结核病,引起耐药性感染的生物膜以及尿路的慢性感染,这在医院中非常具有挑战性。

下一步将是将Pro-AG系统与一系列输送工具结合起来,以使其能够在多种耐药细菌群体中快速,广泛地传播。根据研究人员伊桑·比尔(Ethan Bier)的说法,这可能是一种非常有效,有效且集中的方法,可以从细菌中清除或去除这种对细菌具有抗药性的菌株,无论是从下水道,鱼塘还是饲养场。

Pro-AG独特的切割和修复机制意味着,通过使细菌无害或在其中插入有用的特性,它还可用于治疗细菌并对其进行修饰,以在生物技术和生物医学领域中更广泛的将来应用。Pro-AG系统可用于工程化大型质粒;编辑细菌染色体基因;或与gRNA盒一起插入具有所需功能的新货物。这可能是目前可用于细菌基因工程的工具的强大新增功能。

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