麻省理工学院工程师开发新技术以战斗超级培养

扫描电子显微照片描绘了无数甲氧西林葡萄球菌细菌的抗菌细菌，通常由缩写的MRSA提及。图像：Janice Haney Carr /疾病控制和预防中心

使用可以禁用任何靶基因的基因编辑系统，麻省理工学院工程师表明，它们可以选择性地杀死携带赋予抗生素抗性或引起疾病的有害基因的细菌。

近年来，已经出现了新的细菌菌株，即使是最强大的抗生素也是如此。每年，这些超照人，包括耐药性的结核和葡萄球菌，全国患有200多万人，并杀死至少23,000人。尽管迫切需要新的治疗，但在过去十年中，科学家们发现了很少有新的抗生素类别。

麻省理工学院工程师现在已经在这些超级中变成了强大的新武器。使用可以禁用任何靶基因的基因编辑系统，他们表明它们可以选择性地杀死携带赋予抗生素抗性或引起疾病的有害基因的细菌。

研究人员在生物工程和电气工程与计算机科学副教授蒂莫西·鲁·威斯·鲁斯领导，在9月21日的自然生物技术问题上描述了他们的研究结果。上个月，Lu的实验室通过鉴定了与抗生素更容易受到抗生素的组合来调查抗性细菌的不同方法。

鲁希望两种技术都会导致新药，帮助抗毒性细菌造成的危机。

“这是一个越来越少的抗生素可用，但越来越抗生素的抵抗而不错，”这是一个非常关键的时刻，“他说。“我们一直有兴趣找到对抗抗生素抵抗的新方法，这些论文提供了两种不同的策略。”

削减阻力

大多数抗生素通过干扰细胞锁定或蛋白质合成等重要功能而工作。然而，一些细菌，包括强大的MRSA（耐甲氧胞苷葡萄球菌金黄色葡萄球菌）和CRE（耐肠癌肠杆菌菌）生物，已经进化到现有药物几乎无法治愈。

在新的自然生物技术研究中，研究生罗伯特卡托克和标记Mimee用Lu靶向特定基因，使细菌能够存活抗生素治疗。CRISPR基因组编辑系统介绍了这些基因之后的完美策略。

最初被研究细菌免疫系统的生物学家发现的CRISPR涉及一组蛋白质，细菌用于防御噬菌体（感染细菌的病毒）。这些蛋白质中的一种，一种称为CAS9的DNA切割酶，与靶向特定序列的短RNA引导股，告诉CAS9在其中切割的地方。

鲁和同事决定将细菌的自己的武器变成他们。它们设计了它们的RNA引导股来靶向抗生素抗性的基因，包括酶NDM-1，其允许细菌抵抗广泛的β-内酰胺抗生素，包括碳癌蛋白。编码NDM-1和其他抗生素抗性因子的基因通常携带与细菌基因组分开的DNA的质粒 - 圆形链 - 使它们更容易通过群体传播。

当研究人员对NDM-1转向CRISPR系统时，他们能够特别杀死99％以上的NDM-1携带细菌，而细菌抗性的抗生素不会诱导任何显着的杀戮。它们还成功地靶向了编码SHV-18的另一种抗生素抗性基因，一种细菌染色体中的突变，提供对喹诺酮类抗生素的抗性，以及肠球大肠杆菌中的毒力因子。

此外，研究人员表明，基于其遗传签名，CRISPR系统可用于选择性地从PESE细菌群体中从PERE细菌群体中去除特异性细菌，从而打开超越抗微生物应用的“微生物组编辑”的可能性。

为了使CRISPR组件进入细菌，研究人员创造了两辆送货车辆 - 工程细菌，携带质粒上的CRISPR基因，以及与细菌结合并注射基因的噬菌体粒子。这些载体两者都通过抗药性细菌的群体成功地传播了CRISPR基因。将CRISPR系统递送到感染有害的大肠杆菌的蜡虫幼虫导致幼虫的存活率增加。

研究人员现在在小鼠中测试这种方法，他们设想，最终可以调整技术，以递送CRISPR组分以治疗感染或去除人类患者的其他不需要的细菌。

“这项工作代表了一种非常有趣的遗传方法，用于以指导的方式杀死抗生素抗菌的遗传方法，原则上可以帮助打击通过过度广谱治疗的抗生素抗性的传播，”生物医学助理教授Ahmad Khalil说波士顿大学的工程，他们不是研究团队的一部分。

高速遗传筛

鲁已经开发用于对抗抗生素抗性的另一个工具是一种称为Combigem的技术。该系统在8月11日本周第11周的国家科学院的诉讼中描述了允许科学家迅速和系统地搜索敏感细菌对不同抗生素的遗传组合。

为了测试系统，陆和他的研究生Allen Cheng，创建了34,000对细菌基因的库。所有这些基因代码为转录因子，这是控制其他基因表达的蛋白质。每个基因对包含在单个DNA上，该DNA还包括每个基因的六个碱基对条形码。这些条形码允许研究人员快速识别每对中的基因，而无需序列整个股线DNA。

“你可以利用真正的高吞吐量测序技术，让您在一次拍摄中，同时评估数百万遗传组合，并挑选成功的遗传组合，”卢说。

然后研究人员将基因对递送到耐药细菌中，并用不同的抗生素治疗它们。对于每种抗生素，它们鉴定了基因组合，使靶细菌杀死10,000至1,000,000倍。研究人员正在调查这些基因如何发挥其影响。

“这个平台允许您发现真正有趣的组合，但它并不一定会告诉您为什么他们运行良好，”Lu说。“这是一种高吞吐量技术，用于揭示看起来非常有趣的遗传组合，然后你必须走下游和PUTM。”

吕说，一旦科学家了解这些基因如何影响抗生素抗性，他们可以尝试设计模仿效果的新药。如果研究人员能够找到一种安全有效的方式来递送它们，那么该基因也可能用作治疗。

Combigem还使得能够以比以前现有的方法更强大的方式生成三个或四种基因的组合。“我们对Cofigem的应用探讨了探针复杂的多因素表型，例如干细胞分化，癌症生物学和合成电路，”Lu说。

该研究由国家卫生研究所，国防威胁减少机构，美国陆军研究实验室，美国陆军研究办公室，海军研究办公室以及埃里森基金会的国防威胁。

出版物：Allen A. Cheng等，“增强了通过大规模平行的组合遗传学使能抗生素抗性细菌的杀害，2014年PNA，2014年，Vol。 111号。 34,12462-12467; DOI：10.1073 / PNA.1400093111

图像：Janice Haney Carr /疾病控制和预防中心