去掉“冗余基因”插入“基因武器” 科研人员开发高效简化方法改造噬菌体

◎赵梓杉 本报记者 刘传书

  噬菌体是专门“感染”并杀死细菌的病毒。只要遇到宿主细菌,噬菌体就会钻进其体内并进行大量繁殖。噬菌体能从内部裂解细菌,并释放出成百上千的下一代噬菌体,直至把细菌全部消灭。

  近日,中科院深圳先进院马迎飞团队在国际期刊《核酸研究》上发表研究成果,提出了一种高通量制备“底盘噬菌体”的方法。该研究解决了在高通量删除噬菌体冗余基因方面的三大难题,为噬菌体治疗和噬菌体合成生物学的研究提供了巨大的助力。

  改造“杀菌利器”面临三大挑战

  面对各种耐药的细菌,常规方法显得束手无策,而噬菌体则显得游刃有余。那么,能否改进噬菌体这一杀手锏,向其基因组中插入各种能够为其增加“杀伤力”的基因呢?

  噬菌体通常具有较小的基因组,其中还有很多的“冗余基因”,导致基因组内没有空余的位置插入“基因武器”。同时,这些“冗余基因”还有可能包含一些对人体有害的蛋白。因此,研究团队设想通过某种方法将噬菌体基因组内的“冗余基因”删除,从而得到一个精简、有活性的“底盘噬菌体”,进而获得足够的基因组位置插入功能基因。

  要实现这一目标面临三大挑战。一是如何快速地鉴定和删除噬菌体的“冗余基因”;二是怎样在快速地鉴定和删除噬菌体的“冗余基因”的基础上,获得具有更高杀菌效率的突变噬菌体;三是逐个删除噬菌体的“冗余基因”过程繁琐,工作量巨大。

  开发迭代噬菌体基因组简化方法

  那么,应该如何应对上述的三大挑战,将噬菌体改造成更强大的杀菌利器呢?在许多细菌中,有一种对抗噬菌体的防御系统——CRISPR-Cas系统。当噬菌体侵染到含有这一系统的细菌时,噬菌体的基因组就会被“切割”。

  正是基于CRISPR-Cas系统的原理,研究团队开发了一种自上而下的全基因组简化方法——“基于CRISPR-Cas9的迭代噬菌体基因组简化方法”。

  研究团队首先综合利用多种技术,针对测试的噬菌体的不同基因构建了大量的CRISPR-Cas系统。接下来,研究团队将含有针对不同噬菌体基因的CRISPR-Cas系统宿主菌混合在一起,并让这些CRISPR-Cas系统宿主菌被噬菌体侵染。在侵染过程中,噬菌体会随机进入到一个CRISPR-Cas系统宿主菌内,并被该CRISPR-Cas系统宿主菌删除一个基因。如果被该CRISPR-Cas系统宿主菌删除的基因无足轻重,噬菌体就会在该CRISPR-Cas系统宿主菌内继续繁殖,并释放出更多子代噬菌体。这些新产生的子代噬菌体将进入下一个CRISPR-Cas系统宿主菌并被随机删除下一个基因。通过不断重复这一自发进行的过程,不断有更多噬菌体的冗余基因被删除,最终研究团队获得了精简、有活性的“底盘噬菌体”。