In den letzten Jahren neue Stämme von Bakterien entstanden , dass selbst der stärkste Widerstand Antibiotika . Jedes Jahr werden diese Superbugs , einschließlich arzneimittelresistenten Formen der Tuberkulose und Staphylokokken, infizieren mehr als 2 Millionen Menschen bundesweit , und töten mindestens 23.000 . Trotz des dringenden Bedarf an neuen Therapien , haben Wissenschaftler nur sehr wenige neue Klassen von Antibiotika in den letzten zehn Jahren entdeckt.
MIT -Ingenieure haben jetzt drehte eine leistungsstarke neue Waffe auf diesen Superbugs . Mit Hilfe eines Gen - Editing-System , die jede Zielgens deaktivieren können , haben sie gezeigt, dass sie wahlweise Bakterien, die schädliche Gene, die Resistenz gegen Antibiotika oder Krankheiten verursachen verleihen töten.
Von Timothy Lu, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen , Elektrotechnik und Informatik geführt , beschrieben die Forscher ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology . Im vergangenen Monat berichtet Lu Labor einen anderen Ansatz zur Bekämpfung von resistenten Bakterien durch die Identifizierung Kombinationen von Genen , die zusammenarbeiten Bakterien anfälliger für Antibiotika zu machen.
Lu hofft, dass beide Technologien zu neuen Medikamenten führen, für den Kampf gegen die wachsende Krise, die durch arzneimittelresistente Bakterien gestellt .
" Das ist ein ziemlich entscheidender Moment , wenn es immer weniger neue Antibiotika zur Verfügung, aber mehr und mehr Antibiotika-Resistenz weiterentwickelt ", sagt er . "Wir haben bei der Suche nach neuen Wegen zur Bekämpfung der Antibiotikaresistenz interessiert gewesen , und diese Papiere bieten zwei verschiedene Strategien für das zu tun. "
Ausschneiden Widerstand
Die meisten Antibiotika wirken auf wichtige Funktionen wie Zellteilung oder die Proteinsynthese. Jedoch können einige Bakterien, einschließlich der beeindruckenden MRSA (Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus) und CRE ( Carbapenem-resistenten Enterobacteriaceae ) Organismen entwickelt haben, um praktisch nicht behandelbar mit vorhandenen Medikamenten zu werden.
In der neuen Nature Biotechnology Studie , Doktoranden Robert Citorik und Mark Mimee arbeitete mit Lu , bestimmte Gene , die Bakterien auf Antibiotika-Behandlung überleben ermöglichen zielen. Der CRISPR Genom - Editing-System präsentiert die perfekte Strategie, um nach diesen Genen zu gehen.
CRISPR , die ursprünglich von Biologen der Untersuchung der bakteriellen Immunsystems entdeckt wurde, beinhaltet eine Reihe von Proteinen, die Bakterien zu verwenden , um sich gegen Bakteriophagen zu verteidigen (Viren , die Bakterien infizieren ) . Eines dieser Proteine , eine DNA - Schneiden Enzym namens Cas9 , bindet an kurze RNA- Stränge, die Führung bestimmte Zielsequenzen , erzählt Cas9 wo seine Schnitte zu machen .
Lu und seine Kollegen beschlossen, Bakterien eigenen Waffen gegen sie wenden . Sie konstruierten die RNA FührungssträngeGene für Antibiotikaresistenz zielen , einschließlich des Enzyms NDM-1 , Die ermöglicht Bakterien eine breite Palette von Beta-Lactam- Antibiotika, einschließlich Carbapeneme zu widerstehen. Die Gene, die NDM-1 und anderen Antibiotika-Resistenzfaktorensind in der Regel auf Plasmiden - kreisförmige DNA-Stränge getrennt von der bakteriellen Genoms - so dass es einfacher für sie , um durch Bevölkerung zu verbreiten.
Wenn die Forscher drehte den CRISPR System gegen NDM-1 , sie waren in der Lage, gezielt zu töten mehr als 99 Prozent von NDM-1 -tragenden Bakterien , während Antibiotika , zu denen die Bakterien resistent keine signifikante Tötung zu induzieren. Sie ebenfalls erfolgreich gezielt eine andere Antibiotikaresistenz kodierenden Gens SHV - 18, einer Mutation in dem Bakterienchromosom einen Widerstand gegen Chinolon-Antibiotika und ein Virulenzfaktor enterohämorrhagischen E. coli .
Zusätzlich zeigten die Forscher, dass die CRISPR System könnte verwendet werden, um selektiv bestimmte Bakterien aus verschiedenen bakteriellen Gemeinschaften auf der Grundlage ihrer genetischen Signaturen und eröffnet damit das Potenzial für " microbiome Bearbeitung " über antimikrobielle Anwendungen werden.
Um die CRISPR Komponenten in Bakterien zu erhalten, erstellt die Forscher zwei Lieferfahrzeuge - entwickelt, Bakterien, die CRISPR Gene auf Plasmiden und Bakteriophagen- Partikel, die Bakterien bindet und injizieren die Gene tragen. Beide Träger erfolgreich die CRISPR Gene durch die Bevölkerung von Medikamenten-resistenten Bakterien zu verbreiten. Die Auslieferung der CRISPR System in waxworm Larven mit einem schädlichen Form von E. coli infiziert zu einer erhöhten Überlebensrate der Larven .
Die Forscher testen nun diese Vorgehensweise bei Mäusen , und sie sich vorstellen , dass irgendwann die Technologie geeignet ist, die CRISPR Komponenten zur Behandlung von Infektionen oder entfernen Sie andere unerwünschte Bakterien in menschlichen Patienten zu liefern.
High-Speed- genetischen Screens
Ein weiteres Tool Lu wurde entwickelt zur Bekämpfung von Antibiotikaresistenz ist eine Technologie namens CombiGEM . Dieses System, das in den Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Woche vom 11. August beschrieben , ermöglicht es Wissenschaftlern, schnell und systematisch für die genetische Kombinationen, die Bakterien gegenüber verschiedenen Antibiotika zu sensibilisieren, zu suchen.
Um das System zu testen , Lu und sein Doktorand , Allen Cheng, erstellt eine Bibliothek von 34.000 Paare von bakteriellen Genen . Alle diese Gene für Transkriptionsfaktoren, die Proteine, die die Expression anderer Gene zu steuern. Jedes Gen Paar auf einem einzelnen DNA-Stück , welches auch ein Sechs-Basen -Paar- Barcode für jedes Gen enthalten . Diese Barcodes ermöglichen es den Forschern, schnell die Gene in jedem Paar zu identifizieren, ohne den gesamten Strang der DNA-Sequenz.
" Sie können die Vorteile wirklich Hochdurchsatz- Sequenzierung Technologien, die Ihnen ermöglichen , in einem einzigen Schuss zu nehmen, um Millionen von genetischen Kombinationen gleichzeitig zu beurteilen und herausgreifen diejenigen, die erfolgreich sind ", sagt Lu .
Die Forscher dann lieferte die Gen -Paare in medikamentenresistente Bakterien und behandelte sie mit verschiedenen Antibiotika . Für jedes Antibiotikum , sie Genkombinationen , die die Tötung von Zielbakterien von 10.000 bis 1.000.000 -fache verbessert identifiziert. Die Forscher untersuchen nun , wie diese Gene ihre Wirkung entfalten.
" Diese Plattform ermöglicht es Ihnen, die Kombinationen , die wirklich interessant sind, zu entdecken, aber es muss nicht unbedingt sagen, warum sie gut funktionieren ", sagt Lu . "Das ist ein Hochdurchsatz- Technologien zur Aufdeckung genetischer Kombinationen, die sehr interessant aussehen , und dann muss man abwärts gehen und herausfinden, die Mechanismen . "
Nachdem Wissenschaftler verstehen, wie diese Gene beeinflussen Antibiotikaresistenz , könnten sie versuchen, neue Medikamente, die die Wirkung imitieren entwerfen, sagt Lu . Es ist auch möglich , dass die Gene selbst könnte als eine Behandlung verwendet werden , wenn die Forscher können eine sichere und wirksame Art und Weise , sie zu liefern, zu finden.
CombiGEM ermöglicht auch die Erzeugung von Kombinationen von drei oder vier Genen, in einer leistungsfähigeren Weise als bisher existierenden Methoden . "Wir freuen uns über die Anwendung CombiGEM zu komplexen multifaktoriellen Phänotypen , wie zum Beispiel Stammzelldifferenzierung , Krebsbiologie und synthetische Schaltkreise zu untersuchen ", sagt Lu .