CRISPR — это приобретенная иммунная система, которая позволяет бактериям и другим одноклеточным организмам хранить фрагменты ДНК для защиты от вирусов, называемых фагами. Система позволяет клетке «запоминать» и обеспечивать защиту от фагов, с которыми она ранее сражалась.
Начиная с 2012 года ученые обнаружили, что они могут использовать белки CRISPR для точного редактирования геномов не только бактерий, но также животных и людей. Это открытие было отмечено журналом Science «Прорыв года» в 2015 году и в конечном итоге может позволить ученым перепрограммировать клетки людей с генетическими заболеваниями.Несмотря на быстрый прогресс в использовании CRISPR для редактирования геномов, у ученых все еще есть много вопросов о том, как защита CRISPR развивалась у бактерий и других одноклеточных прокариотических организмов.
Майкл Дим, физик и биоинженер из Райса, впервые был привлечен к CRISPR в 2010 году и создал ряд компьютерных моделей для изучения внутреннего устройства CRISPR.В новом исследовании, опубликованном в Journal of the Royal Society Interface, Дим и бывший аспирант Пу Хан 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 из них развивает свою защиту. другой. Исследование задокументировало странную закономерность выживания-вымирания между бактериями и фагами, что помогает объяснить, казалось бы, противоречивые экспериментальные результаты, которые поставили в тупик исследователей CRISPR.«Между фагами и бактериями происходит совместная эволюция», — сказал Дим. «Бактерии встраивают ДНК фагов, и это позволяет бактериям или их потомкам быть защищенными от этих фагов.
Как и все живые существа, фаги, атакующие только одноклеточные организмы, постоянно развиваются. Дим сказал, что скорость, с которой они мутируют и изменяют свою последовательность ДНК, является одной из переменных, которая может повлиять на то, насколько хорошо CRISPR может распознавать их и бороться с ними. Еще один фактор, который необходимо учитывать при моделировании CRISPR, — это ограниченное пространство, доступное для хранения фаговой ДНК.
CRISPR постоянно получает новые сниппеты и выбрасывает старые. Дополнительным параметром является частота встреч или как часто бактерии и фаги контактируют.«Если мы построим график результатов простой модели, включающей эти параметры, мы увидим, что результаты распадаются на три области или фазы: одна, где CRISPR побеждает и приводит фаги к вымиранию, другая, где фаги побеждают и убивают бактерии и третья фаза, где они сосуществуют », — сказал Дим.
Физики часто используют такие фазовые диаграммы для исследования динамики систем. Изменяя частоту 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 встреч и мутаций дали неожиданный результат — фазовую диаграмму с пятью регионами, на которой фаги дважды процветали и дважды были почти уничтожены, спасибо к сложному взаимодействию между скоростью добавления CRISPR и скоростью, с которой бактерии подвергались воздействию фагов.«Вообще говоря, можно ожидать, что при высоких уровнях воздействия иммунная система CRISPR приведет фаги к вымиранию, потому что будет встречаться с ними достаточно часто, чтобы иметь текущую копию их ДНК в CRISPR», — сказал Дим. «В нашей фазовой диаграмме мы называем это четвертой областью, и наше первое интересное открытие состоит в том, что, хотя в этом случае вероятно вымирание, всегда существует вероятность, которую мы можем вычислить, что фаги ускользнут и не вымрут.
Эта естественная изменчивость вызывает интерес.Второй момент заключается в том, что по мере того, как мы снижаем степень воздействия фагов на бактерии, и теперь становится меньше фагов, заражающих бактерии в единицу времени, у бактерий уменьшается возможность приобретать ДНК от фагов, и теперь фаги могут сосуществуют с бактериями », — сказал он. «Мы называем этот регион тремя. Итак, мы перешли от вымирания к неуничтожению, и теперь у нас есть сосуществование.
Это ожидаемо и очень разумно.«Удивительно, но мы обнаружили, что еще большее снижение уровня воздействия — случай, когда бактерии теперь имеют еще меньше возможностей копировать ДНК в CRISPR — привело к другой фазе, когда фаги были доведены до исчезновения. Это область два. люди не ожидали этого ».
Изучая этот результат, Дим и Хан обнаружили, что второе событие вымирания произошло потому, что скорость заражения и скорость роста бактерий были одинаковыми, и любые бактерии, которые приобрели иммунитет к фагам, будут размножаться достаточно быстро, чтобы превзойти как все другие бактерии, так и другие бактерии. фаги. В этом случае исчезновения единственная копия вирусной ДНК в CRISPR позволила бактериям победить фаги. Это отличалось от четвертой области (случай с высокой степенью воздействия), где множество копий ДНК в CRISPR позволяло нескольким штаммам бактерий побеждать фаги.
Дим сказал, что результаты помогают объяснить предыдущие экспериментальные результаты, 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 во втором, третьем и четвертом регионах. Наши результаты проясняют диапазон возможностей и подтверждают, что этот диапазон был, по крайней мере, частично измерен».Дим сказал, что результаты относятся только к использованию CRISPR в бактериальных и прокариотических системах.
В случаях, когда исследователи пытаются использовать инструменты редактирования генов CRISPR для модификации этих организмов или фагов, которые на них влияют, следует учитывать динамику.«Например, люди со временем 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. Для тех, кто заинтересован в разработке взаимодействия фага и микробиома, будет важно учесть эти факторы. эволюционные тонкости ».