NatMicrobiol：新研究表明可對微生物群落進行CRISPR／Cas編輯

　　迄今為止，CRISPR酶已被用于一次編輯一種細胞類型的基因組：它們對一種組織或器官內的特定細胞類型或者在試管中生長的一種微生物進行基因切割、剔除或添加。

　　如今，在一項新的研究中，來自美國加州大學伯克利分校的研究人員找到了一種方法，可以同時在許多不同物種的群體中添加或修改基因，這就為所謂的“群落編輯（community editing）”打開了大門。相關研究結果于2021年12月6日在線發表在Nature Microbiology期刊上，論文標題為“Species -and site-specific genome editing in complex bacterial communities”。

　　雖然這項技術仍然只在實驗室環境中應用，但是它可以用來編輯自然群落---聚集了數百或數千種不同微生物的腸道或植物根部---中的微生物，并對自然群落中經過編輯的微生物進行追蹤。當科學家們談論從基因上改變微生物種群時，這種追蹤變得很有必要：例如，將基因插入腸道中的微生物以解決消化問題，或者改變農作物的微生物環境以使其對害蟲有更強的抵抗力。

　　由于沒有使用條形碼來追蹤基因插入的方法，這些插入的基因可能會出現在任何地方，因為微生物之間經常分享基因。

　　論文共同第一作者、加州大學伯克利分校博士后研究員Benjamin Rubin說，“破壞和改變分離的微生物中的DNA對于理解它們的DNA的作用至關重要。這項研究有助于將這種基礎方法帶入微生物群落，畢竟微生物群落更能代表這些微生物在自然界的生活和功能。”

　　雖然同時能夠“獵槍（shotgun）”編輯多種類型的細胞或微生物的能力在目前的工業規模系統中可能是有用的，例如用于培養大量細胞的生物反應器，但更直接的應用可能是作為了解細菌、古細菌和真菌的復雜群落結構以及在這些不同微生物種群中的基因流動的工具。

　　論文共同第一作者、加州大學伯克利分校博士后研究員Brady Cress說，“最終，我們可能能夠消除你的腸道細菌中導致疾病的基因，或者通過對它們的微生物伙伴進行基因改造使植物更有效率。但是很可能，在我們這樣做之前，這種方法將使我們更好地了解微生物如何在一個群落中發揮作用。”

　　從普查到編輯

　　論文共同第一作者、加州大學伯克利分校創新基因組學研究所項目科學家Spencer Diamond在Jill Banfield實驗室從事研究工作。Banfield開創了群落測序或者說宏基因組學領域：對復雜的微生物群落中的所有DNA進行鳥槍法測序，并將這些DNA組裝成所有這些微生物的完整基因組，其中的一些微生物可能以前從未見過，而且許多微生物不可能在實驗室的培養皿里生長。

　　在過去的15年里，宏基因組測序取得了巨大的進步。2019年，Diamond從加州北部的一個草原草甸上收集的土壤樣本中組裝了近800種微生物物種的10000個基因組。

　　但他把這比作進行人口普查：它提供了無可比擬的信息，說明哪些微生物以何種比例存在，以及這些微生物在群落內可以發揮哪些功能。它允許你推斷這些微生物之間復雜的相互作用，以及它們如何一起工作以實現重要的生態系統效益，如固氮。Diamond說，這些觀察只是假設；需要新的方法在群落水平上實際測試這些功能和相互作用。

　　他說，“有這樣一個關于代謝傳遞（metabolic handoffs）的想法---沒有任何一個微生物在執行一連串巨大的代謝功能，但在大多數情況下，每個單獨的微生物在執行一個過程的單一步驟，而且微生物之間必須有一些代謝物的傳遞。這是假設，但我們如何實際證明這一點？我們怎樣可以進行一些操作，看看發生了什么？這就是群落編輯的起源。”

　　在這項新的研究中，這些作者首先開發了一種方法，以確定一種群體中哪些微生物實際上容易受到基因編輯的影響。Rubin和Diamond開發的篩選技術，即ET-seq（環境轉化測序），使用容易隨機插入到許多微生物基因組中的轉座子（一種跳躍基因）作為探針。通過對引入轉座子之前和之后的群落DNA進行測序，他們能夠確定哪些微生物能夠整入轉座子基因。該方法是基于論文共同作者Adam Deutschbauer在勞倫斯伯克利國家實驗室開發的技術。在一項涉及由九種不同微生物組成的微生物群落的實驗中，他們使用不同的轉化方法成功地將這種相同的轉座子插入到其中的五種微生物中。

　　Cress隨后開發出一種稱為DART（DNA-editing All-in-one RNA-guided CRISPR Cas Transposase, DNA編輯一體式RNA引導的CRISPR Cas轉座子酶）的靶向遞送系統，它使用一種類似于CRISPR-Cas9的CRISPR-Cas酶來靶向特定的DNA序列，并插入經過條形碼標記的轉座子。

　　為了用更真實的微生物群落來測試DART技術，這些作者從嬰兒身上提取的糞便樣本并將其培養成一種主要由14種不同類型的微生物組成的穩定群落。他們能夠在這種群落中對大腸桿菌菌株進行編輯，以便靶向與疾病有關的基因。

　　這些作者希望利用這一技術在一種封閉系統中了解人工的、簡單的群落，如植物及其相關的微生物群。他們隨后就可以在這種封閉系統中操縱群落中微生物的基因，并跟蹤對它們的經過條形碼標記的微生物的影響。