新型生物传感器为CRISPR基因编辑带来了新的曙光

【字体: 时间:2021年12月11日 来源:ACS Synthetic Biology

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  科学家们在植物中演示了这些实时检测工具,并预期它们可以被运用到动物、细菌和真菌中,在生物技术、生物安全、生物能源和农业方面有多种应用。该小组描述了园艺研究中成功开发的紫外线系统,以及在ACS合成生物学上的原理验证演示。

   

Biosensors show CRISPR activity under UV light    

图片:ORNL的生物传感器系统揭示了杨树植物的CRISPR活性,在紫外线照射下,杨树植物发出亮绿色,而正常植物则显示红色。

资料来源:袁国良/ORNL,美国能源部

利用能源部橡树岭国家实验室开发的技术,现在可以用肉眼和紫外线手电筒检测生物体内CRISPR基因编辑工具的活性。

科学家们在植物中演示了这些实时检测工具,并预期它们可以被运用到动物、细菌和真菌中,在生物技术、生物安全、生物能源和农业方面有多种应用。该小组描述了园艺研究中成功开发的紫外线系统,以及在ACS合成生物学上的原理验证演示。

CRISPR技术已经迅速成为生物工程的主要工具,新的版本也在不断开发中。在此之前,识别生物是否被CRISPR技术改造是一个复杂而耗时的过程。

生物分析化学家、ORNL安全生态系统工程和设计科学重点领域负责人保罗·亚伯拉罕(Paul Abraham)说:“在此之前,唯一能判断基因组工程是否发生的方法就是进行法医分析。”“要想成功,你需要知道基因组在被重写之前是什么样子的。我们想设计一个平台,在那里我们可以主动观察CRISPR活动。”

研究团队开发了一种利用CRISPR工作方式触发技术自我检测的有效解决方案。在正常情况下,CRISPR通过连接一段短RNA序列来工作,这种短RNA序列被称为引导RNA,因为它引导CRISPR找到匹配的DNA序列。当找到目标DNA时,CRISPR就像小分子剪刀一样,通过切断一条或两条DNA链来修改DNA,这取决于使用的CRISPR技术的类型。

亚伯拉罕将他们的方法比作有两个组成部分的警报系统:一个生物传感器引导RNA重定向CRISPR活性和一个报告蛋白标记活性。研究人员将这两种成分编码到生物体的DNA中,以实现监测系统。

自我检测系统就位后,生物传感器引导RNA拦截CRISPR,阻止CRISPR与其原始基因目标连接,并将CRISPR重定向到一个特定的DNA序列,该序列编码一种无功能的绿色荧光蛋白(GFP)。当CRISPR编辑序列时,它会触发一个产生功能性GFP的开关,这就产生了一种绿光,表明CRISPR的存在。

因为需要显微镜才能看到GFP发出的光,研究人员改进了原来的方法,用一种类似的报告蛋白替换了GFP,叫做eYGFPuv,这种蛋白在紫外光下可见,通常被称为黑光。

亚伯拉罕说:“现在,无论我们正在评估的生物体的大小、形状和位置如何,我们都可以看到CRISPR是否实时活跃。”“这种灵活性加快了生物工程过程,并扩展了生物传感器在实验室和现场应用的应用。”

由于CRISPR必须针对每一种生物进行定制,以便有效利用,了解CRISPR技术是否在特定的植物或微生物中起作用,可以加快实现目标的进展,比如开发抗旱生物能源作物,以及将细菌有效地将植物转化为可持续的航空燃料。

ORNL合成生物学小组的负责人Carrie Eckert说:“这些工具使我们能够快速识别出具有预期基因变化的正转化子。”“我们很容易就能对比那些没有经过修改的变种。”

生物传感器还提供了一种有效的方法,以知道在预期的修改生效后,CRISPR是否仍然是活跃的。ORNL植物合成生物学家、合著者Xiaohan Yang将CRISPR的基因组编辑活动比作有益的手术,但警告说“你不希望外科医生把剪刀留在后面”,因为持续的CRISPR活动可能会产生意想不到的影响。

杨设想生物传感器的应用,例如,可以测试转基因植物的后代,以验证基因编辑机制没有转移到它们身上。有了这项技术,就有可能调查整片农田的庄稼。

研究团队创造了专门的生物传感器,用于检测各种CRISPR工具,包括Cas9核酸酶、prime editor、base editor和CRISPRa。他们分别演示了这些传感器,每个传感器都能发出特定类型CRISPR工具存在的信号。亚伯拉罕还看到了将生物传感器组合成一个版本的潜力,可以同时标记多种基因编辑技术。

“我们将继续优化这些生物传感器,以提高下一代生物技术的安全性,”Abraham说。

贡献者的论文题为“扩展的应用紫外可见记者瞬时基因表达和稳定的转换在植物”包括ORNL的郭亮元,Haiwei, Md, Mahmudul哈桑金贵,杰拉尔德Tuskan Xiaohan杨,以及丹唐李和彝康涅狄格大学的。

科学家们在《ACS合成生物学》杂志上详细阐述了他们的原理论证。论文《检测crispr介导的基因组编辑的植物生物传感器》的合著者,包括ORNL的袁国良,Md. Mahmudul Hassan, Yao Tao, Haiwei Lu, Michael Vergara, Wellington Muchero, Jin-Gui Chen, Gerald Tuskan, Paul Abraham, Yang Xiaohan和Jesse Labbe(现在在Invaio科学),以及马里兰大学的Pan Changtian和Qi Yiping。

这项研究得到了生物能源创新中心和安全生态系统工程与设计科学重点领域的支持,这两个领域都是由能源部科学办公室的生物与环境研究项目资助的。国家科学基金会提供了额外的支持。

UT-Battelle为能源部科学办公室管理ORNL,该办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者。科学办公室正在努力解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。欲了解更多信息,请访问energy.gov/science。


杂志

ACS合成生物学

DOI

10.1021 / acssynbio.1c00455

文章标题

用于检测crispr介导的基因组编辑的植物生物传感器

文章出版日期

8 - 12月- 2021

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