به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، CRISPR، یک فناوری ویرایش ژن انقلابی است که به دانشمندان اجازه می‌دهد تغییرات دقیقی در DNA موجودات زنده ایجاد کنند. اکنون دانشمندان از آن برای مهندسی ویروس‌هایی که برای مهندسی باکتری‌ها تکامل یافته‌اند استفاده می‌کنند. این ابزار بار دیگر در جامعه علمی موج ایجاد می‌کند. گروهی به رهبری جنیفر دودنا و جیل بانفیلد، پیشگامان CRISPR، از شکل نادری از CRISPR برای مهندسی باکتریوفاژهای سفارشی استفاده کرده‌اند، پیشرفتی که می‌تواند به درمان عفونت‌های مقاوم به دارو کمک کند و به محققان اجازه می‌دهد میکروبیوم‌ها را بدون استفاده از آنتی بیوتیک‌ها کنترل کنند. این تحقیق که در Nature Microbiology منتشر شده است، نشان دهنده یک دستاورد قابل توجه است زیرا مهندسی باکتریوفاژها برای مدت طولانی یک چالش برای جامعه علمی بوده است.

تعریف باکتریوفاژها

"باکتریوفاژها برخی از فراوان‌ترین و متنوع‌ترین موجودات بیولوژیکی روی زمین هستند. بر خلاف رویکردهای قبلی، این استراتژی ویرایش در برابر تنوع ژنتیکی عظیم باکتریوفاژها عمل می‌کند. باکتریوفاژها که به سادگی فاژها نیز نامیده می‌شوند، مواد ژنتیکی خود را با استفاده از دستگاهی شبیه سرنگ وارد سلول‌های باکتریایی می‌کنند، سپس ماشین آلات پروتئین سازی میزبان خود را می‌ربایند تا خود را تکثیر کنند، معمولاً در این فرآیند باکتری‌ها را می‌کشند. (آنها برای سایر موجودات از جمله ما انسان‌ها بی ضرر هستند، تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان داده است که آنها شبیه سفینه‌های فضایی شوم بیگانه هستند.

CRISPR-Cas

CRISPR-Cas نوعی مکانیسم دفاعی ایمنی است که بسیاری از باکتری‌ها از آن علیه فاژها استفاده می‌کنند. یک سیستم CRISPR-Cas متشکل از قطعات کوتاه RNA است که مکمل توالی در ژن‌های فاژ است و به میکروب اجازه می‌دهد تشخیص دهد که چه زمانی ماده ژنتیکی تهاجمی وارد شده است و پس از هدایت RNA به محل مورد نظر، آنزیم‌های قیچی‌مانند cas ژن‌های فاژ را به قطعات بی‌ضرر و خنثی برش می‌دهند.

ارتباط میان تنوع و قدرت دفاعی بالای فاژها با یک ابزار همه‌ منظوره ویرایش ژنومی

این سیستم دفاعی در طی هزاران سال نبرد تکاملی دائمی بین حمله فاژی و دفاع باکتریایی، فاژها را وادار به تخصص کرد. با توجه به این نکته که میکروب‌های زیادی در طبیعت وجود دارد، بنابراین فاژهای زیادی نیز وجود دارد که هر کدام سازگاریهای منحصر به فردی دارند. این تنوع خیره کننده در فاژها، ویرایش فاژ را دشوار کرده است، از جمله این دشواری‌ها، مقاوم شدن آنها در برابر بسیاری از اشکال CRISPR است و به همین دلیل است که متداول ترین سیستم - CRISPR-Cas9 - برای این فاژهای مقاوم کار نمی‌کند.

Adler می‌گوید: «فاژها راه‌های زیادی برای فرار از دفاع دارند، ازمقابله با سیستم CRISPR گرفته تا برخورداری از فرایند ترمیمی DNA  قدرتمند» بنابراین، به یک معنا، سازگاری‌های کدگذاری شده در ژنوم فاژها که آن‌ها را در دستکاری میکروب‌ها بسیار قدرتمند می‌سازد، دقیقاً همان دلیلی است که تاکنون ایجاد یک ابزار همه‌منظور برای ویرایش ژنوم آنها بسیار دشوار کرده است.

CRISPR-Cas13

Doudna و Banfield، رهبران پروژه، از زمانی که برای اولین بار در سال 2008 در تحقیقات اولیه CRISPR با یکدیگر همکاری کردند، ابزارهای متعدد مبتنی بر CRISPR را با هم توسعه داده‌اند. همکار دیگر او، Emmanuelle Charpentier، این جایزه را در سال 2020 دریافت کرد. تیم Doudna  و  Banfield از محققان آزمایشگاه برکلی و دانشگاه کالیفرنیا برکلی در حال مطالعه خواص شکل نادر CRISPR به نام CRISPR-Cas13 (مشتق شده از یک باکتری دهان انسان) بودند. زمانی که آنها متوجه شدند که این نسخه از سیستم دفاعی علیه طیف وسیعی از فاژها کار می‌کند. آدلر توضیح داد که قدرت مبارزه با فاژ CRISPR-Cas13 با توجه به اینکه تعداد کمی از میکروب‌ها از آن استفاده می‌کنند غیرمنتظره بود، بع این دلیل که فاژهایی تاکنون که در آزمایش شکست داده بودند، همه با استفاده از DNA دو رشته‌ای آلوده می‌شدند، بنابراین دانشمندان بسیار متعجب شدند که سیستم CRISPR-Cas13 فقط RNA ویروسی تک رشته‌ای را هدف قرار داده و خرد می‌کند. مانند انواع دیگر ویروس‌ها، برخی از فاژها دارای ژنوم مبتنی بر DNA و برخی دارای ژنوم مبتنی بر RNA هستند. با این حال، همه ویروس‌های شناخته شده از RNA برای بیان ژن‌های خود استفاده می‌کنند. با تمام این اوصاف، سیستم CRISPR-Cas13 به طور موثر 9 DNA از فاژ‌های مختلف را خنثی کرد که با توجه به اینکه همه آنها سویه‌های E. coli را آلوده می‌کردند، اما تقریباً هیچ شباهتی در ژنوم آنها دیده نمی‌شد.

نحوه عملکرد سیستم CRISPR در برابر فاژهای مبتنی بر RNA

به گفته یکی از نویسندگان و متخصص فاژ، Vivek Mutalik( دانشمند منطقه علوم زیستی آزمایشگاه برکلی) این یافته‌ها نشان می‌دهد که سیستم CRISPR می‌تواند با هدف قرار دادن RNA فاژها به طور مجزا از DNA خود باکتری، در برابر فاژهای مبتنی بر DNA مختلف نیز دفاع کند. در مرحله بعد، تیم نشان داد که این سیستم می‌تواند برای ویرایش ژنوم فاژها به جای بریدن آنها، به صورت دفاعی استفاده شود. ابتدا، آنها بخش‌هایی از DNA متشکل از توالی فاژی را که می‌خواستند در کنار توالی‌های فاژی بومی ایجاد کنند، ساختند و آنها را در باکتری‌های هدف فاژ قرار دادند. زمانی که فاژها میکروب‌های مملو از DNA را آلوده کردند، درصد کمی از فاژهایی که در داخل میکروب‌ها تولید مثل می‌کردند، DNA تغییر یافته را گرفته و به جای توالی اصلی در ژنوم خود وارد کردند. این مرحله یک تکنیک قدیمی ویرایش DNA به نام نوترکیب همولوگ است. مشکل چند دهه‌ای در تحقیقات فاژ این است که اگرچه این مرحله، ویرایش واقعی ژنوم فاژ، به خوبی کار می‌کند، ولی جداسازی و تکثیر فاژها با توالی ویرایش شده از مخزن بزرگتر از فاژهای طبیعی بسیار مشکل است.

نحوه عملکرد CRISPR-Cas13

اینجاست که CRISPR-Cas13 وارد می‌شود. در مرحله دوم، دانشمندان گونه دیگری از میکروب میزبان را مهندسی کردند تا حاوی یک سیستم CRISPR-Cas13 باشد که توالی ژنوم فاژ طبیعی را حس کرده و از آن دفاع می‌کند. هنگامی که فاژهای ساخته شده در مرحله یک در معرض میزبان های دور دوم قرار گرفتند، فاژهای دارای توالی اصلی توسط سیستم دفاعی CRISPR شکست خوردند، اما تعداد کمی از فاژهای ویرایش شده توانستند از آن فرار کنند و زنده بمانند و خودشان را تکرار کردند.

اهمیت نتایج کسب شده از بکارگیری این سیستم‌های ویرایشی جدید

آزمایش‌ها با سه فاژ E. coli غیرمرتبط، میزان موفقیت خیره‌کننده‌ای را نشان دادند: بیش از 99 درصد از فاژهای تولید شده در فرآیندهای دو مرحله‌ای حاوی ویرایش‌هایی بودند که از حذف‌های عظیم چند ژنی تا جایگزینی دقیق یک واحد را شامل می‌شد. موتالیک گفت: «به نظر من، این کار مهندسی روی فاژ یکی از برترین نقاط عطف در زیست شناسی فاژ است. از آنجایی که فاژها بر اکولوژی میکروبی، تکامل، پویایی جمعیت و بیماری‌زایی تأثیر می‌گذارند، مهندسی یکپارچه باکتری‌ها و فاژهای آنها پیامدهای عمیقی برای علوم بنیادی دارد، اما همچنین پتانسیل ایجاد تفاوت واقعی در تمام جنبه‌های اقتصاد زیستی را دارد. علاوه بر سلامت انسان، این قابلیت مهندسی فاژ بر همه چیز از تولید زیستی و کشاورزی گرفته تا تولید غذا تأثیر خواهد گذاشت.

توسعه سیستم CRISPR با مهندسی فاژهای متنوع زیستی

دانشمندان با توجه به نتایج اولیه خود، در حال حاضر در حال توسعه سیستم CRISPR برای استفاده از آن بر روی انواع بیشتری از فاژها هستند، از همه مهمتر ابتدا فاژهایی هستند که بر جوامع میکروبی خاک تأثیر می‌گذارند. آنها همچنین از آن به عنوان ابزاری برای کشف اسرار ژنتیکی در ژنوم فاژ استفاده می‌کنند. چه کسی می‌داند چه ابزارها و فناوری‌های شگفت انگیز دیگری را می‌توان از غنایم جنگ میکروسکوپی بین باکتری‌ها و ویروس‌ها الهام گرفت؟

پایان مطلب/.