抗生素耐药性正加速演变为一场全球危机，“超级细菌”预计到2050年每年将导致超过1000万人死亡。如今，加州大学圣地亚哥分校的科学家们 unveil 了一种基于CRISPR技术的新型强力工具——它不仅能够对抗耐药菌，还能主动剥离其耐药性。这项技术借鉴了用于昆虫的基因驱动原理，可在细菌群体中传播一种基因“修复机制”，即使在保护微生物免受抗生素侵袭的顽固生物膜内部也能发挥作用。
这些危险细菌常常在医院、废水处理设施、畜牧业养殖场和鱼类养殖场中滋生。为了应对这一日益严重的威胁，科学家们正转向先进的遗传技术。加州大学圣地亚哥分校的研究人员现在正在使用强大的新型基因编辑工具来直接对抗抗生素耐药性。
CRISPR基因驱动策略瞄准耐药性
加州大学圣地亚哥分校生物科学学院的Ethan Bier教授和Justin Meyer教授合作创建了一种从细菌群体中消除耐药性特征的新方法。他们的方法基于CRISPR基因编辑，并借鉴了基因驱动的概念，后者曾用于昆虫，以阻断诸如携带疟疾寄生虫等有害特征的传播。
该团队开发了一种名为pPro-MobV的第二代主动遗传学（Pro-AG）系统。这项更新后的技术旨在细菌群落中传播，并使那些使细菌对抗生素产生耐药性的基因失效。
"通过pPro-MobV，我们将基因驱动的理念从昆虫带到了细菌，将其作为一种群体工程工具，"细胞与发育生物学系教员Bier说。"利用这种基于CRISPR的新技术，我们可以取少量细胞，让它们在一个大的目标群体中中和抗生素耐药性（AR）。"
遗传盒如何恢复抗生素敏感性
这项工作的基础始于2019年，当时Bier的实验室与Victor Nizet教授的团队（加州大学圣地亚哥分校医学院）合作，设计了最初的Pro-AG系统。那个早期版本将一个遗传盒引入细菌，使其能够在细菌基因组之间进行自我复制，并关闭抗生素耐药性基因。
这个盒专门针对质粒上携带的耐药基因，质粒是在细菌细胞内复制的小型环状DNA分子。通过将自身插入这些质粒，该盒破坏了耐药基因，使细菌重新变得对抗生素敏感。
通过生物膜和细菌交配传播
较新的pPro-MobV系统扩展了这一概念，它利用接合转移（一种类似于细菌交配的过程）将CRISPR组件从一个细胞移动到另一个细胞。根据发表在《自然》期刊《npj抗菌剂与耐药性》上的研究结果，研究人员证明，该系统可以通过细菌间形成的天然交配通道传播，将耐药性失活元件分布到整个群体中。
重要的是，该团队证明这种方法在生物膜内也有效。生物膜是密集的微生物群落，它们附着在表面上，并且以难以通过标准清洁方法消除而著称。它们与大多数严重感染有关，并通过形成限制药物渗透难度的保护屏障，帮助细菌在抗生素治疗中存活。因此，这种新方法可能在医院、环境净化工作和微生物组工程中具有重要应用。
"在生物膜背景下对抗抗生素耐药性尤为重要，因为这是在临床或水产养殖池塘和污水处理厂等封闭环境中最难克服的细菌生长形式之一，"Bier说。"如果你能减少从动物到人类的传播，就可能对抗生素耐药性问题产生重大影响，因为估计大约一半的耐药性来自环境。"
将CRISPR与噬菌体配对
研究人员还发现，其活性遗传系统的元件可以通过噬菌体（一种天然感染细菌的病毒）进行运输。噬菌体已经被用来对抗抗生素耐药性，它们能绕过细菌的防御，将破坏性的遗传物质送入细胞内。该团队设想pPro-MobV与这些经过改造的噬菌体协同工作，以增强其效果。
作为一项附加的安全措施，该平台可以包含一个称为同源序列删除的过程，允许科学家在必要时移除插入的遗传盒。
"据我所知，这项技术是少数几种能够主动逆转抗生素耐药基因传播，而不仅仅是减缓或应对其传播的方法之一，"研究细菌和病毒进化适应性的生态学、行为与进化系教授Meyer说。