Barcodes im Supermarkt ermöglichen eine schnelle und einfache Produktidentifizierung, oft einschließlich wertvoller Informationen wie Standort, Menge und Nachverfolgung.
Nun wurde für ähnliche Zwecke von Forschern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums ein schnelles Genmarkierungs- oder Charakterisierungsschema für bakterieninfizierende Viren, sogenannte Bakteriophagen oder Phagen, entwickelt.
Basierend auf der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten CRISPR-Genbearbeitungstechnologie ermöglichte die Methode der Wissenschaftler zu verstehen, welche Teile des Phagengenoms für seine Funktion wesentlich sind. Sobald nicht-essentielle Regionen identifiziert sind, würden Barcodes in diesen Regionen es Forschern und Klinikern ermöglichen, verschiedene Phagen in verschiedenen Umgebungen schnell zu identifizieren und zu verfolgen. Die maßstabsgetreue Methode ermöglicht die Erschließung leistungsstarker biotechnologischer Anwendungen, die für die Landwirtschaft, die Umwelt, die menschliche Gesundheit und mehr relevant sind.
Mit der neuen Barcode-Methode könnten Forscher beispielsweise Phagen verfolgen, während sie zur Manipulation des Mikrobioms um Pflanzenwurzeln herum eingesetzt werden, um das Pflanzenwachstum unter Dürrebedingungen oder ohne den Einsatz von Düngemitteln zu fördern. Sie könnten auch mit Barcodes versehene Phagen verfolgen, die zur Behandlung schwerwiegender Erkrankungen wie antibiotikaresistenter Infektionen eingesetzt werden.
„Die Auswirkungen dieser Arbeit sind immens“, sagte Vivek Mutalik, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Biowissenschaften des Berkeley Lab und korrespondierender Autor von a PLOS-Biologie Papier Beschreibung der Methode. „Dieser Bericht ist der erste, der die Gen-Essentialität in dieser Größenordnung bei bakteriellen Viren untersucht.“
Mutalik sagte, er und seine Co-Autoren hätten im genomweiten Maßstab gezeigt, dass sie Phagengene identifizieren können, die für die Infektion von Bakterien essentiell (oder nicht) sind. Es ist das, was Wissenschaftler „Gen-Essentialität“ nennen. Darüber hinaus können die Erkenntnisse, die für einen Phagentyp gewonnen wurden, auf andere übertragen werden.
„Wir verwenden die CRISPR-Interferenztechnologie (CRISPRi), um fast jedes Gen in zwei Modellphagen herunterzuwählen, um die Landschaft der Gen-Essentialität abzubilden“, sagte Mutalik. „Indem wir die Expression jedes Gens auf genomweiter Ebene unterdrücken, können wir beurteilen, welche Gene in diesen beiden Phagen wichtig und welche entbehrlich sind [nonessential] für den Infektionszyklus.“
CRISPRi sei in Säugetier- und Bakteriensystemen eingesetzt worden, sagte Mutalik. Er fügte hinzu, dass die Arbeit die Tür für ähnliche Studien an verschiedenen Phagen und für die Erstellung einer Genotyp-zu-Phänotyp-Kartierung öffnet und so künftigen Innovatoren Orientierung bietet. „Wir haben auch herausgefunden, wie eng die Phagengene miteinander verbunden sind und dass sich das Ausschalten eines Gens auf die Expression von Phagengenen auswirkt.“ [another] Downstream-Gen, ein Phänomen, das als „Polarität“ bekannt ist“, sagte er.
Auch wenn es kontraintuitiv erscheinen mag, sagte Mutalik, das Ziel dieser jüngsten Arbeit sei es, nicht-essentielle Gene in Phagengenomen zu finden. Und hier kommt auch der Barcode ins Spiel.
„Die Frage war: Sobald wir ein nicht-essentielles Gen identifiziert haben, können wir es durch einen Identifikator ersetzen – eine eindeutige Markierung“, sagte Mutalik.
„Es ist wie in einem Lebensmittelgeschäft, wo auf jedem Artikel ein Barcode angebracht ist. Stellen Sie sich vor, jemand lässt Sachen überall im Lebensmittelgeschäft fallen. und so weiter. Die Barcodes helfen bei der Organisation und Standardisierung des gesamten Arbeitsablaufs und helfen bei der Handhabung verschiedener Gegenstände in einer Sammlung. Das Gleiche kann mit Phagencocktails passieren.“
„Nehmen wir an, ich mache einen Phagencocktail – eine Mischung aus Phagen mit eindeutigen Barcodes darauf –, um ihn in einer Anwendung zu verwenden“, fuhr Mutalik fort.
„Aber dann wollen wir verfolgen, wie die Phagen funktionieren. Dazu können wir einfach die Barcodes finden und verfolgen. Dieser Prozess wird uns helfen herauszufinden, welche Phagen in diesem Phagencocktail funktionieren und welche nicht. Stellen Sie sich vor, nach fünf Tagen würden wir stellen fest, dass eine bestimmte Phagenmischungsbehandlung nicht funktioniert und einige Änderungen erforderlich sind.
„Dann können wir den Phagencocktail vielleicht ändern, indem wir ein oder zwei Phagen entfernen und einige interessantere, bessere hinzufügen.“ [in an application]. Durch die Verwendung von mit Barcodes versehenen Phagen kann dieser gesamte Prozess viel effizienter gestaltet werden.“
Phagen sind die am häufigsten vorkommenden biologischen Einheiten auf der Erde. Sie stellen einen der größten Pools genetischer Vielfalt in der Natur dar, wenn auch mit größtenteils unerforschten Genfunktionsinformationen.
Die neue CRISPRi-Charakterisierungsmethode, sagte Mutalik, könnte dabei helfen, eine Reihe nützlicher biotechnologischer Anwendungen freizusetzen, wie etwa die Bekämpfung von Krankheitserregern in der Landwirtschaft, Umweltsanierung, Lebensmittel- und Milchproduktion, Gentherapie, Impfstoffentwicklung oder die Befreiung medizinischer Geräte von gefährlichen Biofilmen, die sich oft ansammeln und bedrohen Gerätefunktion sowie die Gesundheit des Patienten.
Die Genfunktionsinformationen für Bakteriophagen seien wie „ein Ozean an Wissen, den wir nicht nutzen können“, sagte Mutalik. „Einerseits gibt es die ungenutzte Geninformation, und andererseits gibt es den Anwendungsbereich, zum Beispiel Antibiotikaresistenz, wo wir dringend Lösungen brauchen. Es gibt so viele potenzielle Phagenanwendungen da draußen.“
Trotz ihres Potenzials seien Phagen jedoch bisher nur unzureichend charakterisiert worden, sagte Mutalik. Dies liegt zum Teil daran, dass die Methoden zur Gencharakterisierung bisher arbeitsintensiv und spezifisch für bestimmte Phagentypen waren und angesichts der riesigen Menge an Phagen keinen Nutzen hatten.
„Wenn wir die genomische Architektur von Hunderten von Phagen untersuchen wollen, die für verschiedene Anwendungen wichtig sind, müssen wir diese verbessern.“ [characterization] „Wir werden unsere Methoden weiterentwickeln“, sagte Mutalik. „Die Zukunft der Phagenforschung ist rosig.“
Mehr Informationen:
Denish Piya et al., Systematische und skalierbare genomweite Essentialitätskartierung zur Identifizierung nichtessentieller Gene in Phagen, PLOS-Biologie (2023). DOI: 10.1371/journal.pbio.3002416