科學家發現CRISPR-Cas 系統的潛在新功能
微生物利用CRISPR-Cas 系統作為抵禦病毒入侵的防禦機制。在基因工程領域,這種微生物免疫系統被重新用於有針對性地修改基因構成。在魯爾研究聯盟(Research Alliance Ruhr)魯爾健康研究中心(One Health Ruhr)微生物學家亞歷山大-普羅普斯特(Alexander Probst)博士教授的領導下,一個研究小組現在發現了這種特殊基因組序列的另一種功能:古菌(通常與細菌外形非常相似的微生物)也能利用它們來對抗寄生蟲。
研究小組最近在《自然-微生物學》(Nature Microbiology)雜誌上發表了他們的研究成果。
亞歷山大-普羅斯特博士圖片來源:UDE/Bettina Engel-Albustin
2020 年,生物化學家埃馬紐埃爾-夏彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗-杜德娜(Jennifer Doudna)因將CRISPR-Cas 系統(或稱”基因剪刀”)應用於基因工程的生物技術而獲得諾貝爾獎。然而,這種基因工具的許多功能至今仍未被探索。例如,微生物能否利用它們來對抗寄生在它們身上的其他微生物?
帶著這個研究問題,亞歷山大-普羅普斯特分析了地殼深處微生物的遺傳物質。地球上70% 以上的微生物都生活在深層生物圈中。如果我們想了解地球上的多樣性,就值得深入研究,他解釋道。
這位微生物學家和他的團隊一起分析了美國一個間歇泉從深海吐到地面的水,以及日本堀之部地下實驗室的樣本。研究小組重點研究了古細菌,它們作為宿主和寄生蟲生活在生態系統中。這種微小的微生物在細胞大小上與細菌極為相似,但生理特性卻大相徑庭。
他們的基因組分析結果提供了新的見解:宿主附近的寄生蟲明顯很少,而且宿主對寄生蟲表現出遺傳抗性。研究人員從微生物基因組中的基因剪刀中發現了其中的原因。”在進化過程中,古細菌吸收了寄生蟲的DNA。如果帶有相同DNA 的寄生蟲現在攻擊生物體,外來遺傳物質可能會被CRISPR 系統識別並分解,”普羅普斯特解釋道。這位微生物學家是分析環境樣本中遺傳物質的專家,他的實驗室採用了最新的方法,如牛津納米孔技術,該技術可以對遺傳物質進行快速、全面的測序。
為了排除他們只是遇到個別情況的可能性,研究人員將分析範圍擴大到7000 多個基因組,並觀察到這種現象非常頻繁。在未來的研究中,這一發現還將有助於區分有益的共生體和有害的寄生蟲。如果存在CRISPR識別,那麼該微生物就很有可能是寄生蟲。這或許還將有助於今後更好地理解重要的新陳代謝過程,如生態系統中的碳流。