获得诺贝尔奖的基因编辑技术CRISPR有望再次对微生物学和医学领域产生深远影响。由CRISPR先驱詹妮弗·杜德纳(JenniferDoudna)和她的长期合作者吉尔·班菲尔德(JillBanfield)领导的团队开发了一种巧妙的工具，可以使用一种罕见的CRISPR形式编辑被称为噬菌体的细菌感染病毒的基因组。轻松设计定制设计的噬菌体的能力——长期以来一直困扰着研究界——可以帮助研究人员在没有抗生素或刺激性化学物质的情况下控制微生物组，并治疗危险的耐药性感染。一篇描述这项工作的论文最近发表在NatureMicrobiology上。

如何编辑自然界主要操纵者的基因

“噬菌体是地球上最丰富和多样化的生物实体之一。与以前的方法不同，这种编辑策略对噬菌体的巨大遗传多样性不利，”杜德纳实验室的博士后研究员、第一作者本杰明阿德勒说。“这里有很多令人兴奋的方向——发现就在我们的指尖。”

噬菌体，也简称为噬菌体，使用类似注射器的装置将它们的遗传物质插入细菌细胞，然后劫持宿主的蛋白质构建机制以进行自我繁殖——通常会在此过程中杀死细菌。(它们对其他生物体无害，包括我们人类，尽管电子显微镜图像显示它们看起来像险恶的外星飞船。)

CRISPR-Cas是许多细菌和古细菌用来对抗噬菌体的一种免疫防御机制。CRISPR-Cas系统由与噬菌体基因序列互补的RNA短片段组成，允许微生物识别何时插入了侵入性遗传物质，以及通过将噬菌体基因切割成无害片段来中和噬菌体基因的剪刀状酶，在被RNA引导到位后。

几千年来，噬菌体进攻和细菌防御之间的永恒进化之战迫使噬菌体专业化。有很多微生物，所以也有很多噬菌体，每一种都有独特的适应性。这种惊人的多样性使噬菌体编辑变得困难，包括使它们对多种形式的CRISPR产生抗性，这就是为什么最常用的系统——CRISPR-Cas9——不适用于此应用程序的原因。

“噬菌体有很多方法可以逃避防御，从抗CRISPR到擅长修复自己的DNA，”阿德勒说。“因此，从某种意义上说，噬菌体基因组中编码的适应性使它们如此擅长操纵微生物，这与开发用于编辑基因组的通用工具如此困难的原因完全相同。”

项目负责人Doudna和Banfield自2008年首次合作对CRISPR进行早期调查以来，共同开发了许多基于CRISPR的工具。这项工作在劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)进行，当Doudna和Banfield被诺贝尔奖委员会引用时她的另一位合作者EmmanuelleCharpentier于2020年获奖。

Doudna和Banfield的伯克利实验室团队和加州大学伯克利分校的研究人员正在研究一种名为CRISPR-Cas13(源自人类口腔中常见的细菌)的罕见CRISPR形式的特性，当时他们发现这种防御系统版本可以对抗大量的噬菌体。

Adler解释说，考虑到很少有微生物使用它，CRISPR-Cas13的抗噬菌体效力是出乎意料的。科学家们倍感惊讶，因为它在测试中击败的噬菌体都使用双链DNA进行感染，但CRISPR-Cas13系统仅靶向并切割单链病毒RNA。

与其他类型的病毒一样，一些噬菌体具有基于DNA的基因组，而一些具有基于RNA的基因组。然而，所有已知的病毒都使用RNA来表达它们的基因。CRISPR-Cas13系统有效地中和了九种不同的DNA噬菌体，它们都感染大肠杆菌菌株，但它们的基因组几乎没有相似性。

根据合著者和噬菌体专家、伯克利实验室生物科学领域的科学家VivekMutalik的说法，这些发现表明，CRISPR系统可以在细菌自身从DNA转化为RNA后，通过靶向RNA来防御各种基于DNA的噬菌体。蛋白质翻译之前的酶。

接下来，该团队证明该系统可用于编辑噬菌体基因组，而不仅仅是防御性地切碎它们。

首先，他们制作了由他们想要创建的噬菌体序列组成的DNA片段，两侧是天然噬菌体序列，并将它们放入噬菌体的目标细菌中。当噬菌体感染载有DNA的微生物时，一小部分在微生物体内繁殖的噬菌体吸收了改变的DNA，并将其整合到基因组中以代替原始序列。

这一步是一种长期存在的DNA编辑技术，称为同源重组。噬菌体研究中存在数十年的问题是，尽管这一步(实际的噬菌体基因组编辑)工作正常，但从较大的正常噬菌体库中分离和复制具有编辑序列的噬菌体非常棘手。

这就是CRISPR-Cas13发挥作用的地方。在第二步中，科学家们设计了另一种宿主微生物菌株，使其包含一个CRISPR-Cas13系统，该系统可以感知和防御正常的噬菌体基因组序列。当第一步制作的噬菌体暴露于第二轮宿主时，具有原始序列的噬菌体被CRISPR防御系统击败，但少数经过编辑的噬菌体能够逃避它。他们生存下来并自我复制。

用三个不相关的大肠杆菌噬菌体进行的实验显示出惊人的成功率：在两步过程中产生的噬菌体中超过99%包含编辑，范围从大量的多基因删除一直到单个基因的精确替换氨基酸。

“在我看来，这项关于噬菌体工程的工作是噬菌体生物学的重要里程碑之一，”Mutalik说。“由于噬菌体影响微生物生态学、进化、种群动态和毒力，细菌及其噬菌体的无缝工程对基础科学具有深远影响，但也有可能在生物经济的各个方面产生真正的影响。除了人类健康，这种噬菌体工程能力将影响从生物制造和农业到食品生产的一切。”

受到初步结果的鼓舞，科学家们目前正在努力扩展CRISPR系统，以将其用于更多类型的噬菌体，从影响土壤微生物群落的噬菌体开始。他们还将其用作探索噬菌体基因组内遗传奥秘的工具。谁知道细菌和病毒之间微观战争的战利品还能激发出哪些其他惊人的工具和技术?