解锁细菌世界——研究人员引入新方法使细菌适应基因工程

细菌几乎遍布地球上的每一个栖息地，包括我们身体内部和身体上。了解和改造细菌可以带来诊断、治疗和预防感染的新方法。此外，它还提供了保护作物免受疾病侵害的机会，并为化学生产创建可持续的细胞工厂，减少对环境的影响——这只是对社会诸多好处中的一小部分

为了释放这些优势，科学家需要有能力操纵这些细菌的基因含量。然而，基因工程细菌的一个长期瓶颈是DNA的有效转化，即将外源DNA引入细胞的过程。这使得它的应用仅限于一小部分微生物

一个主要障碍是限制修改系统的存在。这些保护系统以独特的甲基化模式标记细菌基因组，并破坏缺乏这种模式的外来DNA

克服这一障碍需要将细菌的模式添加到DNA中，这是一个菌株特异性的过程，涉及多种DNA甲基转移酶。这些酶将甲基（含有一个碳原子和三个氢原子的小化学基团）连接到DNA碱基上。目前复制或规避这些DNA甲基化模式的方法是劳动密集型的，不容易扩展，因此需要新的方法

为了应对这一挑战，亥姆霍兹基于RNA的感染研究所（HIRI）领导的一个团队与维尔茨堡朱利叶斯·马克西米利安大学（JMU）合作，推出了一种新的方法来重现这种模式并增强DNA转化。他们称之为IMPRINT，代表TXTL中快速模仿甲基化模式

作为这种方法的一部分，研究人员使用无细胞转录翻译（TXTL）系统——一种可以从添加的DNA中产生核糖核酸（RNA）和蛋白质的液体混合物——来表达细菌的一组特定的DNA甲基转移酶。然后，在DNA输送到目标细菌中之前，使用这些酶将其甲基化

“IMPRINT代表了TXTL的一种全新用途。虽然TXTL被广泛用于各种目的，包括生产难以表达的蛋白质或作为负担得起的诊断工具，但它以前从未被用于克服细菌DNA转化的障碍，”HIRI RNA合成生物学系主任、JMU医学院教授Chase Beisel说。他与美国罗利的北卡罗来纳州立大学的研究人员合作，率先进行了这项研究。他们的发现今天发表在《分子细胞》杂志上

与现有方法相比，IMPRINT提供了速度和简单性。该研究的第一作者Justin M.Vento说：“目前的方法需要费力地纯化单个DNA甲基转移酶，或者在大肠杆菌中表达，这通常被证明是有细胞毒性的。”他在北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系读博士时完成了这项工作。“这些方法可能需要几天到几周的时间，并且只能重建细菌甲基化模式的一小部分。”

研究人员证明IMPRINT可以表达多种DNA甲基转移酶。此外，这些酶可以结合在一起，重建复杂的甲基化模式。这大大增强了细菌的DNA转化，如病原体沙门氏菌和益生菌双歧杆菌，包括后者的一种具有挑战性的转化菌株，研究较少

在现代医学和研究中的潜在应用是广泛的：IMPRINT可以改善细菌病原体的临床分离株和对抗感染的细菌的DNA转化，如共生细菌或产生抗菌化合物的细菌。对这些微生物进行基因改造可能会产生新的抗生素和基于细胞的治疗方法

该研究团队旨在扩大IMPRINT的使用。“我们希望使各种细菌病原体在基因上易于研究，”Beisel说。他希望IMPRINT能被研究界广泛采用

“到目前为止，某些细菌之所以被青睐为模型，只是因为它们更容易进行基因操作。我们希望，通过使用IMPRINT，研究人员将能够专注于最重要的细菌菌株，例如那些毒力或抗生素耐药性增加的菌株，”Beisel总结道