Исследователи из Рокфеллеровского университета и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли нашли способ заставить бактерии кодировать воспоминания гораздо чаще. Их открытие было описано 22 декабря в Molecular Cell.«CRISPR, адаптивная иммунная система, обнаруженная во многих бактериях, запоминает вирусы, сохраняя фрагменты их ДНК.
Но в природе такие записывающие события случаются очень редко», — говорит старший автор Лучано Марраффини, руководитель лаборатории бактериологии.«Мы определили единственную мутацию, которая заставляет бактериальные клетки приобретать генетические воспоминания о вирусах в 100 раз чаще, чем это происходит естественным образом», — добавляет он. «Эта мутация представляет собой мощный инструмент для экспериментов в нашей лаборатории и в других местах, а также может облегчить создание устройств хранения данных на основе ДНК».
Если вирус, зарегистрированный системой CRISPR бактерии, снова появляется, для его уничтожения отправляется фермент, известный как Cas9. Точность системы уже сделала ее важным инструментом для редактирования геномов, и ученые ищут другие варианты применения.
В текущем исследовании команда случайным образом ввела мутации в ген Cas9 и обнаружила, что одна из них побуждает бактерии быстрее приобретать генетическую память. В нормальных условиях, если исследователи подвергают 100000 бактериальных клеток воздействию одного и того же потенциально смертельного вируса, только одна из них обычно получает фрагмент ДНК, который может позволить ему пережить будущую атаку. В клетках, созданных для переноса этой новой мутации, это соотношение увеличивается до 1 к 1000.
Мутация быстро стала полезной почти для всех проектов, проводимых в лаборатории Марраффини. Работая с микробами, чья генетическая память была улучшена таким образом, ученые могут получить гораздо больше данных о различных аспектах CRISPR.
Могут быть и другие приложения, но некоторые из них еще не за горами. Некоторые синтетические биологи — ученые, которые проектируют и создают новые биологические машины — считают, что CRISPR-подобная система может быть адаптирована для сбора информации об активности нейронов, о том, как клетки реагируют на стимулы окружающей среды, или о траектории метастазирования раковых клеток. Хотя многие препятствия остаются на пути разработки системы записи на основе CRISPR, эта мутация потенциально может сделать ее более реалистичной, говорят исследователи.Открытие также поднимает вопрос: если эта мутация делает бактерии более способными к защите, почему они не эволюционировали, чтобы нести ее естественным путем? «С CRISPR приходится идти на компромисс», — объясняет первый автор Роберт Хелер, аспирант лаборатории.
Хотя система защищает клетки, иногда она может дать сбой, получая фрагменты ДНК от своего хозяина, а не от вторгающегося вируса, что приводит к тому, что клетка убивает себя. «Если микробы без мутации не охвачены чрезмерно большим количеством вирусов, требующих мощной защиты CRISPR-Cas, они имеют преимущество в выживании, потому что они менее склонны к этому типу самоубийства», — говорит Хелер.