CRISPR – приобретенная иммунная система, которая позволяет бактериям и другим одноклеточным организмам хранить отрывки ДНК, чтобы защитить себя от вирусов, названных фагами. Система позволяет клетке «помнить» и устанавливать защиту против фагов, против которых она ранее боролась.
Начав в 2012, ученые обнаружили, что могли использовать белки CRISPR, чтобы точно отредактировать геномы не только бактерии, но также и животных и людей. То открытие захватило Прорыв журнала Science года в 2015 и могло в конечном счете позволить ученым повторно программировать клетки людей с генетическими заболеваниями.Несмотря на быстрые достижения в использовании CRISPR для редактирования геномов, у ученых все еще есть много вопросов о том, как обороноспособность CRISPR развилась у бактерий и других одноклеточных прокариотических организмов. Майкл Дим, физик и биоинженер от Райса, был сначала привлечен к CRISPR в 2010 и создал много компьютерных моделей, чтобы исследовать внутренние работы CRISPR.
В новом исследовании в Журнале Интерфейса Королевского общества Считайте, и бывший аспирант Пу Хань нашел, что есть тонкое взаимодействие между фагами и бактериями, которые могут измениться, в зависимости от того, как часто эти два сталкиваются друг с другом и как быстро каждый развивает обороноспособность против другого. Исследование зарегистрировало странный образец исчезновения выживания между бактериями и фагами, который помогает объяснить на вид противоречивые результаты эксперимента, которые загнали исследователей CRISPR в угол.«Есть коэволюция между фагами и бактериями», Считайте, сказал. «Бактерии включают ДНК от фагов, и это позволяет бактериям или их потомкам быть защищенными от тех фагов.Как все живые существа, постоянно развиваются фаги, которые нападают только на одноклеточные организмы.
Считайте сказал уровень, по которому они видоизменяются и изменяются, их последовательность ДНК – одна переменная, которая может затронуть, как хорошо CRISPR может признать и бороться с ними. Другой фактор, который должен быть принят во внимание в моделировании CRISPR, то, что ограниченное пространство, доступное для хранения ДНК фага.
CRISPR постоянно приобретает новые отрывки и выбрасывает старые. Дополнительный параметр – темп столкновения, или как часто бактерии и фаги входят в контакт.«Если мы готовим результаты простой модели, которая включает эти параметры, мы видели бы, что результаты попадают в три региона или фазы, та, где CRISPR побеждает и ведет фаги к исчезновению, сказал тот, где фаги побеждают и уничтожают бактерии и третью фазу, где эти два сосуществуют», Считают.
Физики часто используют такие диаграммы фазы, чтобы исследовать динамику систем. Изменяя темпы столкновения и мутации, ученые могут исследовать, как конкретные комбинации ведут систему от одной фазы до другого.В новом исследовании Считайте и ханьцы, которые являются теперь разработчиком программного обеспечения в Google, нашел, что определенные комбинации темпов столкновения и мутации привели к неожиданному результату, диаграмма фазы с пятью регионами, где фаги дважды процветали и были дважды почти уничтожены благодаря сложному взаимодействию между темпами добавлять-снижения CRISPR и уровнем, в который бактерии были подвергнуты фагам.
«Вообще говоря, мы могли бы ожидать, что на высоких показателях воздействия, иммунная система CRISPR будет вести фаги к исчезновению, потому что это сталкивалось бы с ними достаточно часто, чтобы иметь текущую копию их ДНК в CRISPR», Считайте, сказал. «В нашей диаграмме фазы мы называем это регионом четыре, и наше первое интересное открытие состоит в том, что, в то время как исчезновение вероятно в этом случае, всегда есть вероятность, которую мы можем вычислить, что фаги убегут и не исчезнут. Та естественная изменчивость представляет интерес.«Второй пункт – то, что, поскольку мы понижаем темп воздействия фагов бактериям, и есть теперь меньше фагов, заражающих бактерии за единицу времени, бактерии уменьшили возможности приобрести ДНК от фагов, и фаги могут теперь сосуществовать с бактериями», он сказал. «Мы называем этот регион три.
Так, мы пошли от исчезновения до неисчезновения, и у нас теперь есть сосуществование. Это ожидается и очень разумно.«Удивительно, мы нашли, что, понижая еще более темп воздействия – случай, в котором у бактерий теперь есть даже меньше возможностей скопировать ДНК в CRISPR – привел к другой фазе, где фаги вели к исчезновению.
Это – регион два. И люди не ожидали бы это».В исследовании этого результата Считайте, и ханьцы нашли, что второе событие исчезновения имело место, потому что зараженность и бактериальный темп роста были тем же самым и любыми бактериями, которые приобретенный иммунитет к фагам воспроизведет достаточно быстро, чтобы вытеснить и все другие бактерии и фаги. В этом событии исчезновения единственная копия вирусной ДНК в CRISPR позволила бактериям побеждать фаги.
Это отличалось от региона четыре – случая сильного воздействия – где много копий ДНК в CRISPR позволили многократным штаммам бактерий побеждать фаги.Считайте сказал, что результаты помогают объяснить предыдущие результаты эксперимента, которые смутили научное сообщество CRISPR.«Было некоторое противоречие о том, может ли CRISPR управлять фагами и что сказало лидерство обстоятельств к сосуществованию», Считают. «Причина этого состоит в том, что различные эксперименты произвели результаты регионов два, три и четыре. Наши результаты разъясняют диапазон возможностей и подтверждают, что этот диапазон был, по крайней мере, частично измерен».
Считайте сказал, что результаты применяются только к использованию CRISPR в бактериальных и прокариотических системах. В случаях, где исследователи пытаются использовать генные инструменты редактирования CRISPR, чтобы изменить те организмы или фаги, которые затрагивают их, должна быть принята во внимание динамика.
«Например, люди в конечном счете начнут редактировать микробиом, заявило сообщество выгодных бактерий пищеварительного тракта и фагов, что помощь сохраняет людей здоровыми», Считают. «Есть большая работа, сделанная теперь на разработке микробиом, чтобы сделать людей более здоровыми, управлять ожирением или настроением, например. Для заинтересованных разработкой взаимодействие микробиома фага, будет важно составлять эту co-evolutionary тонкость».