Genen herschrijven op een hoger niveau met DART’s

                              

Microbiologie in hapklare porties


Genen herschrijven op een hoger niveau met DART’s

CRISPR-Cas9 heeft de wetenschappelijke wereld snel veroverd en heeft het bewerken van het genoom omgevormd tot een nauwkeurige, snelle en goedkope technologie. Het potentieel van deze methode lijkt bijna onbegrensd. Nu hebben onderzoekers uit het laboratorium van Jennifer Doudna (die samen met Emmanuelle Charpentier in 2020 de Nobelprijs voor de Scheikunde kreeg voor de ontwikkeling van de CRISPR-Cas9-technologie voor genoombewerking) het naar een hoger niveau gebracht: community editing. Het onderzoek, dat onlangs is gepubliceerd in Nature Microbiology, meldt twee nieuwe tools die genoombewerking van microben binnen hun natuurlijke gemeenschappen mogelijk maken.

De problemen van het bewerken van bacteriële genomen
Vaak is het doel van microbioom-onderzoek het identificeren van belangrijke bacteriën in een microbiële gemeenschap, die kunnen worden gemodificeerd om ziekten te voorkomen of te genezen, de opbrengst of de resistentie van gewassen tegen bacteriën te verbeteren. Hiervoor zijn experimentele tools nodig om geïsoleerde bacteriesoorten in een laboratoriumomgeving genetisch te manipuleren. Het isoleren en met succes kweken van een microbe in een laboratorium kan echter een hele uitdaging zijn. Het is zelfs zo dat veel microben die relevant zijn voor de menselijke gezondheid, nog niet met succes buiten hun eigen omgeving zijn gekweekt. En de uitdagingen houden daar niet op. 

Als men erin slaagt het genoom te isoleren, is de volgende stap het vinden van de optimale manier om het genoom te bewerken, wat jaren kan duren of zelfs helemaal niet mogelijk is. En als dit allemaal lukt, is de kans groot dat de microbe, eenmaal vrijgelaten in z’n natuurlijke gemeenschap, zich heeft aangepast aan de laboratoriumomgeving en zich misschien niet gedraagt zoals ontworpen.

De ideale oplossing om al deze moeilijkheden te omzeilen zou zijn om het genoom van bacteriën in hun natuurlijke omgeving te bewerken. En het onderzoeksteam rond Jennifer Doudna heeft de middelen ontwikkeld om dat te doen.

DART

Doelwit identificeren
Voor het schieten met een wapen moet er eerst worden gericht, dus begonnen de onderzoekers met het selecteren van hun bacteriële doelwitten binnen een microbiële gemeenschap. Zij ontwikkelden ET-seq (environmental transformation sequencing) om te bepalen welke microben in een gemeenschap daadwerkelijk vatbaar zijn voor genoom-bewerking. ET-seq maakt gebruik van een transposon, een genetisch element dat willekeurig in het DNA kan worden ingebracht. 

De onderzoekers bepaalden welke soorten het transposon hadden opgenomen door het DNA van de hele microbiële gemeenschap te sequencen voor en na het toevoegen van het transposon. De soorten met het hoogste aantal invoegingen waren het meest vatbaar voor genoom-bewerking. Met ET-seq konden de onderzoekers de hele microbiële gemeenschap screenen zonder afzonderlijke soorten te hoeven isoleren en testen.

Richten
Met de bacteriële doelwitten in handen, namen de onderzoekers het doel in het vizier. Voor hun bewerkingswapen ontwikkelden zij een instrument dat zij heel toepasselijk DART (DNA-editing all-in-one RNA-guided CRISPR-Cas transposase) noemden. Net als het CRISPR-Cas9-systeem maakt DART gebruik van een specifieke RNA-sequentie om de bewerkingsmachine naar het doelwit te leiden. In plaats van het DNA te knippen zoals het Cas9-eiwit doet, maakt DART gebruik van een CRISPR-geassocieerd transposase, dat een transposon met een soort streepjescode in het doelwit inbrengt. 

De efficiëntie hiervan kan vervolgens gemakkelijk worden bepaald met behulp van ET-seq. “De nieuwe aanpak voor het bewerken van microbiële gemeenschappen maakt gebruik van CRISPR-technologie en maakt de genetische wijziging van een specifiek gen binnen een specifieke bacterie mogelijk,” aldus Deutschbauer, een van de auteurs van het onderzoek.

DART (DNA-editing all-in-one RNA-guided CRISPR-Cas transposase) gebruikt een specifieke RNA-gidssequentie om het CRISPR-Cas transposase naar een specifieke genomische regio te leiden, waar het transposon zal worden ingebracht. Met behulp van ET-seq kunnen de onderzoekers vervolgens de efficiëntie en specificiteit van de bewerking kwantificeren.

Schieten
Om de kracht van hun tool aan te tonen, slaagden de onderzoekers erin individuele E.coli-stammen van een microbiële gemeenschap uit een ontlastingstaal van een baby te wijzigen. Ze richtten zich specifiek op genen die in verband zijn gebracht met ziekte.

Voorlopig alleen een laboratoriumwapen
Dit krachtige wapen dat het mogelijk maakt genen van specifieke bacteriën binnen microbiële gemeenschappen nauwkeurig te bewerken, is nog slechts voor in een laboratorium. Het omzeilen van de omslachtige isolatie of manipulatie van individuele soorten in het lab houdt zeker een grote belofte in voor toekomstige toepassingen. 

“Uiteindelijk kunnen we misschien genen elimineren die ziekte veroorzaken in je darmbacteriën, of planten efficiënter maken door hun microbiële partners te bewerken,” zegt Brady Cress, een van de auteurs van de studie. “Maar voordat we dat doen, zal deze benadering ons waarschijnlijk een beter begrip geven over hoe microben functioneren binnen een gemeenschap.” Microben leven immers niet in isolatie. Ze bestuderen in hun natuurlijke omgeving is veel representatiever voor hoe ze leven en functioneren in de natuur.


Link to the original post: Rubin, B.E., Diamond, S., Cress, B.F. et al. Species- and site-specific genome editing in complex bacterial communities. Nat Microbiol 7, 34–47 (2022). https://doi.org/10.1038/s41564-021-01014-7

Featured image: Unsplash and Biorender.com


Vertaald door: Charlotte van de Velde