CRISPR突破可能扭轉抗生素抗藥性危機

這些危險的細菌通常在醫院、廢水處理設施、畜牧業和養魚場中大量繁殖。為了應對這種日益嚴重的威脅，科學家們正在轉向先進的基因技術。加州大學聖地牙哥分校的研究人員現在正在使用強大的新基因編輯工具來直接解決抗生素抗藥性問題。

CRISPR基因驅動策略針對抗性

加州大學聖地牙哥分校生物科學學院的伊森·比爾（Ethan Beer）教授和賈斯汀·梅耶爾（Justin Mayer）教授合作創造了一種消除細菌群體抗性特徵的新方法。他們的方法依賴 CRISPR 基因編輯，並藉鑒了基因驅動的概念，基因驅動用於昆蟲，以防止有害特徵的傳播，例如攜帶瘧疾的寄生蟲。

該團隊開發了第二代主動遺傳學（Pro-AG）系統，稱為 pPro-MobV。這項更新的技術旨在透過細菌群落傳播並使細菌對抗生素產生抗藥性的基因失去活性。

「透過 pPro-MobV，我們將昆蟲的基因驅動思維引入細菌，作為群體工程的工具，」細胞與發育生物學系的教員 Pierre 說。 “使用這種基於 CRISPR 的新技術，我們可以提取少量細胞，讓它們移動以中和大量目標群體中的 AR。”

基因盒如何恢復抗生素敏感性

這項工作的基礎工作始於 2019 年，當時 Pierre 的實驗室與 Victor Nézet 教授（加州大學聖地牙哥分校醫學院）團隊合作設計了最初的 Pro-AG 系統。這個早期版本將基因盒引入細菌中，使其能夠在細菌基因組之間複製並關閉抗生素抗性基因。

此盒專門針對質粒上攜帶的抗性基因，質粒是在細菌細胞內複製的小環狀DNA分子。透過將其插入這些質粒中，該盒使抗性基因失活，並使細菌再次對抗生素敏感。

它透過生物膜和細菌交配傳播

最新的 pPro-MobV 系統透過使用接合轉移（類似細菌交配的過程）將 CRISPR 成分從一個細胞轉移到另一個細胞，擴展了這個概念。根據發表在《自然》雜誌《npj 抗菌劑和抗藥性》上的研究結果，研究人員證明，該系統可以透過細菌之間形成的自然交配通道，在族群中分配破壞抗藥性的元素。

重要的是，團隊證明這種方法在生物膜內部有效。生物膜是黏附在表面的密集微生物群落，使用標準清潔方法很難去除。它們參與最嚴重的感染，並透過形成限制藥物滲透的保護屏障來幫助細菌在抗生素治療期間生存。因此，這種新方法可能在醫院、環境清理工作和微生物組工程中具有重要的應用。

比爾說：「生物膜對抗抗生素抗藥性的背景特別令人感興趣，因為這是在診所或水產養殖池塘和廢水處理廠等封閉環境中需要克服的最具挑戰性的細菌生長形式之一。」「如果能夠減少疾病從動物到人類的傳播，就可能對抗生素抗藥性問題產生重大影響，估計其中大約一半來自環境。」

將 CRISPR 與噬菌體配對

研究人員還發現，它們活躍的遺傳系統的元素可以透過自然感染細菌的細菌病毒轉移。噬菌體已被設計用於透過繞過細菌防禦並將失活的遺傳物質傳遞到細胞中來對抗抗生素抗藥性。團隊設想 pPro-MobV 與這些工程噬菌體一起工作以增強效果。

作為額外的預防措施，該平台可以包括一個稱為基於同源性刪除的過程，該過程允許科學家在必要時刪除插入的基因盒。

「這項技術是我所知道的少數幾種可以逆轉抗生素抗性基因傳播的方法之一，而不僅僅是減緩或應對它們的傳播，」生態、行為和進化系教授梅耶爾說，他研究細菌和病毒的進化適應。