Генетики разработали способ запрограммировать воспоминания в бактериальные клетки, переписав их ДНК
Новая техника записи ДНК, которую исследователи называют HiSCRIBE, намного более эффективна, чем ранее разработанные системы для редактирования ДНК у бактерий
Инженеры-биологи из Массачусетского технологического института разработали новый способ эффективного редактирования бактериальных геномов и программирования воспоминаний в бактериальных клетках путем переписывания их ДНК. Используя этот подход, различные формы пространственной и временной информации могут постоянно храниться для поколений и извлекаться путем секвенирования ДНК клеток.
Новая техника записи ДНК, которую исследователи называют HiSCRIBE, намного более эффективна, чем ранее разработанные системы для редактирования ДНК у бактерий, эффективность которых составляла лишь примерно 1 из 10 000 клеток на поколение. В новом исследовании ученые продемонстрировали, что этот подход можно использовать для хранения памяти о клеточных взаимодействиях или пространственном местоположении.
По словам исследователей, этот метод также может позволить выборочно редактировать, активировать или заглушать гены у определенных видов бактерий, живущих в естественном сообществе, таком как микробиом человека.
«С помощью этой новой системы записи ДНК мы можем точно и эффективно редактировать бактериальные геномы без необходимости какой-либо формы отбора в сложных бактериальных экосистемах», — говорит Фахим Фарзадфард, ведущий автор статьи.
«Это позволяет нам выполнять редактирование генома и запись ДНК вне лабораторных условий, будь то конструирование бактерий, оптимизация представляющих интерес черт in situ или изучение эволюционной динамики и взаимодействия в бактериальных популяциях».
Запись генома и запись воспоминаний
В течение нескольких лет ученые работали над способами использования ДНК для хранения информации, такой как память о клеточных событиях. В 2014 году они разработали способ использования бактерий в качестве «геномного магнитофона», создав E. coli для хранения долговременных воспоминаний о таких событиях, как химическое воздействие.
Для этого исследователи сконструировали клетки для производства фермента обратной транскриптазы, называемого ретроном, который производит одноцепочечную ДНК (ssDNA) при экспрессии в клетках, и фермент рекомбиназа, который может вставлять («записывать») определенную последовательность. одноцепочечной ДНК в целевое место в геноме.
Эта ДНК вырабатывается только при активации предопределенной молекулой или другим типом входного сигнала, например светом. После получения ДНК рекомбиназа вставляет ДНК в заранее запрограммированное место, которое может находиться в любом месте генома.
Этот метод, который исследователи назвали SCRIBE, имел относительно низкую эффективность. В каждом поколении из 10 000 клеток E. coli только одна приобретала новую ДНК, которую исследователи пытались встроить в клетки. Отчасти это связано с тем, что у E. coli есть клеточные механизмы, которые предотвращают накопление одноцепочечной ДНК и ее интеграцию в их геномы.
В новом исследовании ученые попытались повысить эффективность процесса, устранив некоторые защитные механизмы E. coli от одноцепочечной ДНК. Во-первых, они отключили ферменты, называемые экзонуклеазами, которые расщепляют одноцепочечную ДНК. Они также отключили гены, участвующие в системе, называемой репарацией несоответствия, которая обычно предотвращает интеграцию одноцепочечной ДНК в геном.
С помощью этих модификаций исследователи смогли добиться почти универсального включения генетических изменений, которые они пытались внести, создав беспрецедентный и эффективный способ редактирования бактериальных геномов без необходимости отбора.
«Благодаря этому усовершенствованию мы смогли выполнять некоторые приложения, которые мы не могли делать с предыдущим поколением SCRIBE или с другими технологиями записи ДНК», — говорят ученые.
Исследователи также показали, что они могут использовать эту технику для создания синтетической экосистемы, состоящей из бактерий и бактериофагов, которые могут непрерывно переписывать определенные сегменты своего генома и автономно развиваться со скоростью, превышающей возможную естественную эволюцию.