用噬菌体传递CRISPR编辑工具 精确编辑土壤微生物群的特定细菌

　　用噬菌体传递CRISPR编辑工具，能精准编辑土壤菌群落中的特定细菌，而不影响其他微生物组。该技术能够更好地研究受控生态系统中关键细菌与其他微生物相互作用的遗传基础。这项概念验证研究可以用来改变各种复杂微生物群落的成员，包括植物和胃肠道。

　　

北卡罗莱纳州立大学的科学家们开发了一种方法，可以利用攻击细菌的噬菌体，精确编辑微生物群落中某个目标细菌物种的单个基因。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

Rodolphe Barrangou博士是北卡罗来纳州立大学食品、生物加工和营养学的杰出教授，也是这项研究的资深作者。

“我们认为这是一种帮助微生物群的机制。我们可以对一个特定的细菌进行改变，而其余的微生物组不会受到损害，”Rodolphe Barrangou博士说，他是北卡罗来纳州立大学食品、生物加工和营养学的杰出教授，也是GEN的姐妹出版物《CRISPR杂志》的主编。“这是一个概念的证明，可以应用于任何复杂的微生物群落，促进植物健康和胃肠道健康——微生物群落对食物和健康很重要。”

首先，作者研究了噬菌体T7和λ是否可以通过工程设计将CRISPR机制传递给大肠杆菌。像λ这样的噬菌体可以将它们的遗传物质整合到宿主细菌的遗传物质中，并与宿主细菌进行协同复制。这样的病毒生命周期被称为“溶原性”。研究人员注意到，λ溶源在大肠杆菌中表达外源碱基编辑工具以敲除特定基因时是有效的。结果显示，两种工程噬菌体——t7和λ——都能够向大肠杆菌宿主传递有效载荷——这些有效载荷表达细菌荧光基因，并操纵细菌对抗生素的耐药性。

研究人员使用工程λ噬菌体在试管、以及包含目标细菌的微生物群落中将胞嘧啶碱基编辑器(CBE)传递到大肠杆菌中，以特有的灵敏度和精确度改变大肠杆菌DNA中的一个碱基。为了模拟一个包含一系列细菌的微生物群落模型环境，研究团队使用EcoFAB填充无菌白色石英砂作为合成土壤，加入了三种不同类型的细菌，以研究噬菌体是否可以在系统中专门定位大肠杆菌。结果表明，工程λ噬菌体可以有效地附着在大肠杆菌上并编辑其基因组。

了解土壤根际的相互作用对确保粮食资源的可持续性非常重要——土壤根际是指受根系分泌物和相关微生物影响的土壤层。本研究为利用土壤微生物群落控制植物伴生菌的组成和功能奠定了基础。这些发现可以帮助设计生态系统，以促进植物的生长和健康，这对可持续农业至关重要。

这项研究开发的方法颇有点“讽刺意味”，因为从生物学上讲，细菌使用CRISPR-Cas系统来反击攻击病毒。生物技术使CRISPR-Cas系统能够编辑动物和人类的基因。但在这个研究中，研究人员反过来用CRISPR-Cas机制加载病毒，以改变存在于微生物组中某些目标细菌的行为。

“病毒非常擅长传递有效载荷。在这里，我们使用一种细菌病毒，一种噬菌体，将CRISPR传递给细菌，这是具有讽刺意味的，因为细菌通常使用CRISPR杀死病毒。”“在这种情况下，病毒通过向大肠杆菌输送DNA来攻击它。这就像把病毒当成注射器一样。”该研究的主要作者Matthew Nethery博士说:“我们在这里使用碱基编辑器作为大肠杆菌基因的一种可编程开关。使用这样的系统，我们可以对基因组进行高度精确的单碱基改变，而不需要CRISPR-Cas靶向通常涉及的双链DNA断裂。”

能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家Trent Northen博士与Barrangou的团队合作，他说:“这项技术将使我们的团队和其他团队能够在EcoFABs等高度控制的实验室环境中发现关键细菌与植物和其他微生物相互作用的遗传基础。”Barrangou的团队打算在未来的实验中，用其他与土壤相关的细菌来测试噬菌体CRISPR技术。