直到十年前，科學(xué)家還沒有意識到細(xì)菌具有復(fù)雜的免疫系統(tǒng) - 這些系統(tǒng)能夠跟上感染細(xì)菌的噬菌體病毒的進(jìn)化速度。隨著現(xiàn)在最著名的細(xì)菌免疫機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，這種情況發(fā)生了變化：CRISPR。科學(xué)家們意識到CRISPR是一種天然的基因編輯器，它已經(jīng)徹底改變了全世界成千上萬實(shí)驗(yàn)室的生物研究世界。研究人員現(xiàn)在明白，大多數(shù)微生物都有復(fù)雜的免疫系統(tǒng)，其中CRISPR只是一種元素; 但是沒有很好的方法來識別這些系統(tǒng)。在一項(xiàng)大規(guī)模，系統(tǒng)的研究中，Rizm Sorek教授和他的Weizmann科學(xué)研究所的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)揭示了細(xì)菌中存在的10種先前未知的免疫防御機(jī)制。“科學(xué)。
研究所分子遺傳學(xué)系的成員Sorek解釋說，細(xì)菌不能單獨(dú)依靠CRISPR來對抗噬菌體。實(shí)際上，許多噬菌體具有取消CRISPR活性的“抗CRISPR”蛋白質(zhì)，這表明其他系統(tǒng)可以消除這種松弛。Sorek和他的團(tuán)隊(duì)開始尋找這些系統(tǒng)，創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，可掃描所有已測序的細(xì)菌基因組 - 總共約50,000個(gè)基因組。他們創(chuàng)建的算法不是尋找具有預(yù)定義特征的序列，而是搜索參與防御的基因的“統(tǒng)計(jì)特征” - 例如，它們在“防御島”中的位置，其中幾個(gè)防御相關(guān)基因彼此相鄰。然后，
一旦他們將可能的防御基因從數(shù)百萬縮小到數(shù)百，研究人員就需要測試他們已經(jīng)確定的候選機(jī)制。該研究小組不是試圖從數(shù)百種不同的細(xì)菌中分離出遺傳序列，而是轉(zhuǎn)向合成生物學(xué)：讓基因定制。他們將基因代碼串 - 總共400,000個(gè)堿基或遺傳密碼的“字母”發(fā)送到商業(yè)實(shí)驗(yàn)室，在那里合成了數(shù)十個(gè)不同的多基因系統(tǒng)進(jìn)行測試。將這些合成系統(tǒng)插入已經(jīng)使其天然免疫系統(tǒng)失活的實(shí)驗(yàn)室細(xì)菌中。然后將細(xì)菌暴露于噬菌體和其他感染元件，以觀察移植的防御系統(tǒng)是否是可行的。在研究人員檢查的各種系統(tǒng)中，
Sorek說，在計(jì)算機(jī)分析和實(shí)驗(yàn)的各個(gè)階段之間，該研究需要在他的實(shí)驗(yàn)室中工作兩年的六個(gè)人的密集努力。該研究由Shany Doron博士和Sarah Melamed領(lǐng)導(dǎo)，Gal Ofir，Azita Leavitt博士，Anna Lopatina博士和Gil Amitai博士密切參與。該團(tuán)隊(duì)每隔一周開會(huì)一次“防務(wù)委員會(huì)”會(huì)議，討論他們發(fā)現(xiàn)的研究和防御機(jī)制的不同部分。
研究人員仍然不知道新的細(xì)菌免疫系統(tǒng)是如何起作用的，有些人根據(jù)索雷克說，“似乎有令人驚訝的功能，我們現(xiàn)在開始調(diào)查。” 這些系統(tǒng)之一包含Toll-Interleukin Receptor(或TIR)結(jié)構(gòu)域。已知TIR結(jié)構(gòu)域參與免疫系統(tǒng) - 但直到現(xiàn)在還不是微生物。這些結(jié)構(gòu)域是人體免疫系統(tǒng)甚至植物的組成部分，但它們以前從未在細(xì)菌中顯示出參與抗病毒防御。“我們的研究結(jié)果表明，我們自身免疫系統(tǒng)的一些重要部分在細(xì)菌免疫機(jī)制中具有深刻的進(jìn)化根源，”Sorek說。
其他基因似乎是從非防御性細(xì)菌系統(tǒng)中“借用”的。例如，從鞭毛中已知其中一種細(xì)菌用于游泳。這些基因通過使鞭毛能夠吸收質(zhì)子為鞭毛提供能量。在Sorek實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的一種新的防御系統(tǒng)使用這些基因來防御噬菌體。另一種稱為縮合蛋白的細(xì)胞通常在細(xì)胞分裂過程中保護(hù)DNA，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用凝聚素機(jī)制的成分來保護(hù)細(xì)菌免受質(zhì)粒入侵 - 細(xì)小的DNA環(huán)可以寄生在細(xì)菌細(xì)胞中。
“我們設(shè)法找到10種新的細(xì)菌防御系統(tǒng)，這意味著它們還有更多，”索雷克說。“我的實(shí)驗(yàn)室正在繼續(xù)尋找新的實(shí)驗(yàn)室。此外，我們開始關(guān)注一些更有前途的實(shí)驗(yàn)室，以了解它們的運(yùn)作方式。”
索雷克說，新的發(fā)現(xiàn)令人興奮，因?yàn)樗鼈優(yōu)槊庖呦到y(tǒng)的進(jìn)化和病毒與它們感染的生物之間的永恒戰(zhàn)斗提供了新的窗口。但他也認(rèn)為有些可能會(huì)成為生物學(xué)研究的有力工具：“根據(jù)定義，每個(gè)免疫系統(tǒng)都需要以非常具體但靈活的方式瞄準(zhǔn)入侵元素，我們可以將這種瞄準(zhǔn)用于生物技術(shù)目的 - 如我們已經(jīng)完成了CRISPR和限制酶的研究。我們發(fā)現(xiàn)的任何一個(gè)新系統(tǒng)可能是下一個(gè)基因編輯工具 - 或者甚至是更令人興奮的分子工具的基礎(chǔ)，“Sorek說。