Technology NewsSci-Techஇயற்கையின் மாஸ்டர் மேனிபுலேட்டர்களின் மரபணுக்களை விஞ்ஞானிகள் வெற்றிகரமாகத் திருத்துகிறார்கள்

இயற்கையின் மாஸ்டர் மேனிபுலேட்டர்களின் மரபணுக்களை விஞ்ஞானிகள் வெற்றிகரமாகத் திருத்துகிறார்கள்

-


ஹவர் கிளாஸ் கிராஃபிக்

CRISPR (கிளஸ்டர்டு ரெகுலர்லி இன்டர்ஸ்பேஸ்டு ஷார்ட் பாலிண்ட்ரோமிக் ரிபீட்ஸ்) என்பது ஒரு புரட்சிகர மரபணு எடிட்டிங் தொழில்நுட்பமாகும், இது உயிரினங்களின் டிஎன்ஏவில் துல்லியமான மாற்றங்களைச் செய்ய விஞ்ஞானிகளை அனுமதிக்கிறது. விஞ்ஞானிகள் இப்போது பாக்டீரியாவை பொறியியலாக்குவதற்கு உருவான வைரஸ்களை பொறியியல் செய்ய பயன்படுத்துகின்றனர்.

பாக்டீரியாவை உருவாக்குவதற்கு உருவாகியுள்ள வைரஸ்களை மாற்றியமைக்க ஆராய்ச்சியாளர்கள் மரபணு-எடிட்டிங் தொழில்நுட்பமான CRISPR ஐப் பயன்படுத்துகின்றனர்.

CRISPR, ஒரு புரட்சிகர மரபணு-எடிட்டிங் கருவி, பாக்டீரியாவை பாதிக்கும் வைரஸ்களின் மரபணுக்களை திருத்தும் திறனுடன் மீண்டும் அறிவியல் சமூகத்தில் அலைகளை உருவாக்குகிறது.

CRISPR முன்னோடிகளான ஜெனிஃபர் டவுட்னா மற்றும் ஜில் பான்ஃபீல்ட் தலைமையில், ஒரு குழு CRISPR இன் அரிய வடிவத்தைப் பயன்படுத்தி தனிப்பயன் பாக்டீரியோபேஜ்களை உருவாக்குகிறது, இது மருந்து-எதிர்ப்பு நோய்த்தொற்றுகளுக்கு சிகிச்சையளிக்க உதவும் மற்றும் நுண்ணுயிர் எதிர்ப்பிகளைப் பயன்படுத்தாமல் நுண்ணுயிர்களைக் கட்டுப்படுத்த ஆராய்ச்சியாளர்களை அனுமதிக்கும். ஆராய்ச்சி, வெளியிடப்பட்டது இயற்கை நுண்ணுயிரியல்பாக்டீரியோபேஜ்களின் பொறியியல் நீண்ட காலமாக விஞ்ஞான சமூகத்திற்கு ஒரு சவாலாக இருப்பதால் குறிப்பிடத்தக்க சாதனையை பிரதிபலிக்கிறது.

“பாக்டீரியோபேஜ்கள் பூமியில் மிகவும் ஏராளமாக மற்றும் வேறுபட்ட உயிரியல் பொருட்களில் சில. முந்தைய அணுகுமுறைகளைப் போலல்லாமல், இந்த எடிட்டிங் உத்தி பாக்டீரியோபேஜ்களின் மிகப்பெரிய மரபணு வேறுபாட்டிற்கு எதிராக செயல்படுகிறது, ”என்று முதல் எழுத்தாளர் பெஞ்சமின் அட்லர் கூறினார். “இங்கே பல அற்புதமான திசைகள் உள்ளன – கண்டுபிடிப்பு உண்மையில் நம் விரல் நுனியில் உள்ளது!”

பாக்டீரியோபேஜ்கள், வெறுமனே பேஜ்கள் என்றும் அழைக்கப்படுகின்றன, சிரிஞ்ச் போன்ற கருவியைப் பயன்படுத்தி அவற்றின் மரபணுப் பொருளை பாக்டீரியா செல்களில் செருகுகின்றன, பின்னர் தங்களை இனப்பெருக்கம் செய்வதற்காக அவற்றின் புரவலன்களின் புரதத்தை உருவாக்கும் இயந்திரங்களை கடத்துகின்றன – பொதுவாக செயல்பாட்டில் பாக்டீரியாவைக் கொல்லும். (எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிப் படங்கள் அவை தீய வேற்றுக்கிரக விண்கலங்கள் போல் இருப்பதை வெளிப்படுத்தியிருந்தாலும், மனிதர்கள் உட்பட மற்ற உயிரினங்களுக்கு அவை பாதிப்பில்லாதவை.)

CRISPR-Cas என்பது ஒரு வகை நோயெதிர்ப்பு பாதுகாப்பு பொறிமுறையாகும், இது பல பாக்டீரியாக்கள் மற்றும் ஆர்க்கியாக்கள் பேஜ்களுக்கு எதிராக பயன்படுத்துகின்றன. ஒரு CRISPR-Cas அமைப்பு குறுகிய துணுக்குகளைக் கொண்டுள்ளது[{” attribute=””>RNA that are complementary to sequences in phage genes, allowing the microbe to recognize when invasive genetic material has been inserted, and scissor-like enzymes that neutralize the phage genes by cutting them into harmless pieces, after being guided into place by the RNA.

Over millennia, the perpetual evolutionary battle between phage offense and bacterial defense forced phages to specialize. There are a lot of microbes, so there are also a lot of phages, each with unique adaptations. This astounding diversity has made phage editing difficult, including making them resistant to many forms of CRISPR, which is why the most commonly used system – CRISPR-Cas9 – doesn’t work for this application.

“Phages have many ways to evade defenses, ranging from anti-CRISPRs to just being good at repairing their own DNA,” said Adler. “So, in a sense, the adaptations encoded in phage genomes that make them so good at manipulating microbes are the exact same reason why it has been so difficult to develop a general-purpose tool for editing their genomes.”

Project leaders Doudna and Banfield have developed numerous CRISPR-based tools together since they first collaborated on an early investigation of CRISPR in 2008. That work – performed at Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) – was cited by the Nobel Prize committee when Doudna and her other collaborator, Emmanuelle Charpentier, received the prize in 2020. Doudna and Banfield’s team of Berkeley Lab and UC Berkeley researchers were studying the properties of a rare form of CRISPR called CRISPR-Cas13 (derived from a bacterium commonly found in the human mouth) when they discovered that this version of the defense system works against a huge range of phages.

The phage-fighting potency of CRISPR-Cas13 was unexpected given how few microbes use it, explained Adler. The scientists were doubly surprised because the phages it defeated in testing all infect using double-stranded DNA, but the CRISPR-Cas13 system only targets and chops single-stranded viral RNA. Like other types of viruses, some phages have DNA-based genomes and some have RNA-based genomes. However, all known viruses use RNA to express their genes. The CRISPR-Cas13 system effectively neutralized nine different DNA phages that all infect strains of E. coli, yet have almost no similarity across their genomes.

According to co-author and phage expert Vivek Mutalik, a staff scientist in Berkeley Lab’s Biosciences Area, these findings indicate that the CRISPR system can defend against diverse DNA-based phages by targeting their RNA after it has been converted from DNA by the bacteria’s own enzymes prior to protein translation.

Next, the team demonstrated that the system can be used to edit phage genomes rather than just chop them up defensively.

First, they made segments of DNA composed of the phage sequence they wanted to create flanked by native phage sequences and put them into the phage’s target bacteria. When the phages infected the DNA-laden microbes, a small percentage of the phages reproducing inside the microbes took up the altered DNA and incorporated it into their genomes in place of the original sequence. This step is a longstanding DNA editing technique called homologous recombination. The decades-old problem in phage research is that although this step, the actual phage genome editing, works just fine, isolating and replicating the phages with the edited sequence from the larger pool of normal phages is very tricky.

This is where the CRISPR-Cas13 comes in. In step two, the scientists engineered another strain of host-microbe to contain a CRISPR-Cas13 system that senses and defends against the normal phage genome sequence. When the phages made in step one were exposed to the second-round hosts, the phages with the original sequence were defeated by the CRISPR defense system, but the small number of edited phages were able to evade it. They survived and replicated themselves.

Experiments with three unrelated E. coli phages showed a staggering success rate: more than 99% of the phages produced in the two-step processes contained the edits, which ranged from enormous multi-gene deletions all the way down to precise replacements of a single amino acid.

“In my opinion, this work on phage engineering is one of the top milestones in phage biology,” said Mutalik. “As phages impact microbial ecology, evolution, population dynamics, and virulence, seamless engineering of bacteria and their phages has profound implications for foundational science but also has the potential to make a real difference in all aspects of the bioeconomy. In addition to human health, this phage engineering capability will impact everything from biomanufacturing and agriculture to food production.”

Buoyed by their initial results, the scientists are currently working to expand the CRISPR system to use it on more types of phages, starting with ones that impact microbial soil communities. They are also using it as a tool to explore the genetic mysteries within phage genomes. Who knows what other amazing tools and technologies can be inspired by the spoils of microscopic war between bacteria and viruses?

Reference: “Broad-spectrum CRISPR-Cas13a enables efficient phage genome editing” by Benjamin A. Adler, Tomas Hessler, Brady F. Cress, Arushi Lahiri, Vivek K. Mutalik, Rodolphe Barrangou, Jillian Banfield and Jennifer A. Doudna, 31 October 2022, Nature Microbiology.
DOI: 10.1038/s41564-022-01258-x

The study was was funded by the Department of Energy Microbial Community Analysis & Functional Evaluation in Soils (m-CAFES) Scientific Focus Area.



LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Latest news

How to know that you have to buy a new mobile phone

Despite the fact that smartphones can perfectly last several years being functional today, there are a series of...

எந்த வயதில் மக்கள் குறைவாக தூங்குகிறார்கள்?

ஆய்வில் பங்கேற்றவர்களில் இளையவர் (வயது 19) அதிகம் தூங்குவதாகவும் ஆய்வில் கண்டறியப்பட்டுள்ளது.இருந்து ஆராய்ச்சியாளர்கள் நடத்திய புதிய ஆய்வு லண்டன் பல்கலைக்கழக கல்லூரிதி கிழக்கு ஆங்கிலியா...

MSI laptops with NVIDIA GeForce RTX 4000 graphics – report from the premiere event in Warsaw

At this year's CES in Las Vegas, NVIDIA presented the new generation of GeForce RTX 4000 mobile graphics...

New Wave of Ransomware Attacks Exploiting VMware Bug to Target ESXi Servers

Feb 04, 2023Ravie LakshmananEnterprise Security / Ransomware VMware ESXi hypervisors are the target of a new wave of attacks...

MSI laptops with NVIDIA GeForce RTX 4000 graphics – report from the premiere event in Warsaw

At this year's CES in Las Vegas, NVIDIA presented the new generation of GeForce RTX 4000 mobile graphics...

New Wave of Ransomware Attacks Exploiting VMware Bug to Target ESXi Servers

Feb 04, 2023Ravie LakshmananEnterprise Security / Ransomware VMware ESXi hypervisors are the target of a new wave of attacks...

Must read

Bermuda hit by widespread internet outage amid power cut

Bermuda experienced a widespread power outage since Friday evening...