加州大学伯克利分校宣布：CRISPRing微生物组即将到来！

CRISPR被广泛用于靶向特定类型的细胞，但每次只能靶向一种。加州大学伯克利分校的研究人员已经开发出一种方法，可以同时编辑不同微生物群落中的多个有机体中的基因，这是编辑肠道或植物上的微生物群落的第一步。

　　

   

   

为了成功编辑一个微生物群落中的多个成员的基因，加州大学伯克利分校的科学家们必须开发两种新方法:环境转化测序(ET-Seq)，这让他们能够评估特定微生物的可编辑性;DNA编辑的all-in-one RNA引导的CRISPR-Cas转座酶(DART)，它允许高度特异的靶向DNA插入到由引导RNA确定的基因组位置。DART系统有条形码，并与ET-Seq兼容，因此，当与ET-Seq一起使用时，科学家可以插入、跟踪和评估插入效率和特异性。

迄今为止，CRISPR酶已被用于一次编辑一种细胞的基因组：它们切割、删除或添加基因到组织或器官内的特定类型的细胞中，或添加到试管中生长的一种微生物中。

现在，加利福尼亚大学，这个发明了CRISPR-CAS9基因组编辑技术近10年的小组已经找到了一种方法来同时增加或修改许多不同物种的群落内的基因，打开了所谓的“群体编辑”的大门。

虽然这项技术仍然只在实验室环境中使用，但它可以用于编辑和跟踪自然群落中编辑的微生物，如肠道或数百或数千种不同微生物聚集的植物根部。随着科学家们谈论改变微生物种群的基因：例如，将基因插入肠道中的微生物以解决消化问题，或者改变作物的微生物环境以使其对害虫具有更强的抵抗力，这样的跟踪变得十分必要。

如果没有办法追踪基因插入——在这种情况下，使用条形码——这种插入的基因可能会在任何地方结束，因为微生物通常彼此共享基因。

加州大学伯克利分校博士后研究员本杰明·鲁宾（Benjamin Rubin）说：“在分离的微生物中破坏和改变DNA对于理解DNA的作用至关重要。这项工作有助于将这一基本方法引入微生物群落，使其更能代表这些微生物在自然界中的生活和功能。”

虽然一次“鸟枪”编辑多种类型的细胞或微生物的能力在当前的工业规模系统中可能很有用，例如，用于批量培养细胞的生物反应器，但更直接的应用可能是作为一种工具来理解复杂的细菌、古菌和真菌群落的结构，基因在这些不同人群中流动。

博士后布雷迪·克雷斯（Brady Cress）说：“最终，我们也许能够消除导致肠道细菌疾病的基因，或者通过改造微生物伙伴使植物更有效率。”。“但在我们这样做之前，这种方法可能会让我们更好地了解微生物在社区中的作用。”

Rubin和Cress（都在CRISPR-Cas9发明者Jennifer Doudna的实验室）以及创新基因组学研究所（IGI）的项目科学家Spencer Diamond，是今天（12月6日）在《自然微生物学》（Nature Microbiology）杂志上发表的一篇描述该技术的论文的第一作者。

从“人口普查”到编辑

Diamond在Jill Banfield的实验室工作，Jill Banfield是一位地质微生物学家，他开创了群落测序或宏基因组学领域：对复杂微生物群落中的所有DNA进行鸟枪测序，并将这些DNA组装成所有这些生物体的完整基因组，其中一些可能是以前从未见过的，其中许多不可能在实验室培养皿中生长。

宏基因组测序在过去15年中取得了巨大进步。2019年，Diamond从北加利福尼亚州的草原草甸采集的土壤样本中收集了近800种微生物的10000个个体基因组。

但他将此比作人口普查：它提供了无与伦比的信息，说明哪些微生物以何种比例存在，以及这些微生物在社区中可以发挥哪些功能。它可以让你推断生物体之间复杂的相互作用，以及它们如何协同工作以实现重要的生态系统效益，比如固氮。但这些观察只是假设，需要新的方法在群体层面上实际测试这些功能和交互。

他说：“有一种代谢转换的想法——没有一种微生物在执行一系列巨大的代谢功能，但在大多数情况下，每个生物体都在完成一个过程的一个步骤，生物体之间必须有一些代谢物的转换。这是一个假设，但我们如何证明这一点呢？我们实际上可以进行一些操作，看看发生了什么？这就是群体编辑的起源。”

研究小组由因发明CRISPR-Cas9基因组编辑而获得2020年诺贝尔化学奖的Doudna教授领导。

该团队首先开发了一种方法来确定社区中哪些微生物实际上容易受到基因编辑的影响。Rubin和Diamond开发的筛选技术，称为ET-seq（环境转化测序），使用转座子或跳跃基因作为探针，很容易随机插入许多微生物基因组。通过对导入转座子前后的群体DNA进行测序，他们能够确定哪些种类的微生物能够整合转座子基因。该方法基于劳伦斯伯克利国家实验室合著者亚当·德伊茨鲍尔（Adam Deutschbauer）开发的技术。在一项涉及九种不同微生物群落的实验中，他们使用不同的转化方法成功地将同一转座子插入其中五种微生物。

Cress随后开发了一种称为DNA编辑一体式RNA引导的CRISPR-Cas转座酶（DART）的靶向传递系统，该系统使用类似于CRISPR-Cas9的CRISPR-Cas酶来定位特定的DNA序列并插入条形码转座子。

为了用更真实的微生物群落测试DART技术，研究人员从一名婴儿身上采集粪便样本，并对其进行培养，以创建一个主要由14种不同类型的微生物组成的稳定群落。他们能够编辑该社区内的单个大肠杆菌菌株，针对与疾病相关的基因。

研究人员希望利用这项技术在封闭的盒子里了解人工的简单群落，如植物及其相关的微生物群。然后，他们可以在这个封闭的系统中操纵群体基因，并跟踪对条形码微生物的影响。这些实验是能源部资助的一个名为m-CAFEs的为期10年的项目的一个方面，该项目用于土壤微生物群落分析和功能评估，旨在了解简单草微生物组对外部变化的响应。Banfield、Doudna和Deutschbauer是m-CAFEs项目的一部分。

10.1038/s41564-021-01014-7

Article Title

Species- and site-specific genome editing in complex bacterial communities