研究发现多种新的不寻常的细菌免疫防御机制可以为新的生物技术工具铺平道路

直到十年前，科学家才意识到细菌具有复杂的免疫系统 - 能够跟上感染细菌的噬菌体病毒的进化速度。随着现在最着名的细菌免疫机制的发现，这种情况发生了变化：CRISPR。科学家们意识到CRISPR是一种天然的基因编辑器，它已经彻底改变了全世界成千上万实验室的生物研究世界。研究人员现在明白，大多数微生物都有复杂的免疫系统，其中CRISPR只是一种元素;但是没有很好的方法来识别这些系统。

在一项大规模，系统的研究中，Rizm Sorek教授和他的Weizmann科学研究所的团队现在已经揭示了细菌中存在的10种先前未知的免疫防御机制。“我们发现的系统不同于我们以前见过的任何系统，”索雷克说。“但我们认为，其中有一两个可能有可能增加基因编辑工具箱，还有一些可能指向人体免疫系统的起源。”他们的研究结果最近发表在“科学”杂志上。

研究所分子遗传学系的成员Sorek解释说，细菌不能单独依靠CRISPR来对抗噬菌体。实际上，许多噬菌体具有取消CRISPR活性的“抗CRISPR”蛋白质，这表明其他系统可以消除这种松弛。Sorek和他的团队开始寻找这些系统，创建了一个计算机程序，可扫描所有已测序的细菌基因组 - 总共约50,000个基因组。他们创建的算法不是寻找具有预定义特征的序列，而是搜索参与防御的基因的“统计特征” - 例如，它们在“防御岛”中的位置，其中几个防御相关基因彼此相邻。然后，因为免疫系统基因很少单独工作 - 甚至在细菌中 - 研究人员开发了复杂的计算机分析方法，以便了解哪些基因联合起来并共同形成防御系统。

一旦他们将可能的防御基因从数百万缩小到数百，研究人员就需要测试他们已经确定的候选机制。该研究小组不是试图从数百种不同的细菌中分离出基因序列，而是转向合成生物学：让基因定制。他们将基因代码串 - 总共400,000个碱基或遗传密码的“字母”发送到商业实验室，在那里合成了数十个不同的多基因系统进行测试。将这些合成系统插入已经使其天然免疫系统失活的实验室细菌中。然后将细菌暴露于噬菌体和其他感染元件，以观察移植的防御系统是否是可行的。在研究人员检查的各种系统中，

Sorek说，在计算机分析和实验的各个阶段之间，该研究需要在他的实验室中工作两年的六个人的密集努力。该研究由Shany Doron博士和Sarah Melamed领导，Gal Ofir，Azita Leavitt博士，Anna Lopatina博士和Gil Amitai博士密切参与。该团队每隔一周开会一次“防务委员会”会议，讨论他们发现的研究和防御机制的不同部分。

研究人员仍然不知道新的细菌免疫系统是如何起作用的，有些人根据索雷克说，“似乎有令人惊讶的功能，我们现在开始调查。”这些系统之一包含Toll-Interleukin Receptor(或TIR)结构域。已知TIR结构域参与免疫系统 - 但直到现在还不是微生物。这些结构域是人体免疫系统甚至植物的组成部分，但它们以前从未在细菌中显示出参与抗病毒防御。“我们的研究结果表明，我们自身免疫系统的一些重要部分在细菌免疫机制中具有深刻的进化根源，”Sorek说。

其他基因似乎是从非防御性细菌系统中“借用”的。例如，从鞭毛中已知其中一种细菌用于游泳。这些基因通过使鞭毛能够吸收质子为鞭毛提供能量。在Sorek实验室中发现的一种新的防御系统使用这些基因来防御噬菌体。另一种称为缩合蛋白的细胞通常在细胞分裂过程中保护DNA，研究人员发现了一种防御系统，该系统使用凝聚素机制的成分来保护细菌免受质粒入侵 - 细小的DNA环可以寄生在细菌细胞中。

“我们设法找到10种新的细菌防御系统，这意味着它们还有更多，”索雷克说。“我的实验室正在继续寻找新的实验室。此外，我们开始关注几个更有前途的实验室，以了解它们的运作方式。”

索雷克说，新的发现令人兴奋，因为它们为免疫系统的进化和病毒与它们感染的生物之间的永恒战斗提供了新的窗口。但他也认为有些可能会成为生物研究的有力工具：“根据定义，每个免疫系统都需要以非常具体但灵活的方式瞄准入侵元素，我们可以将这种瞄准用于生物技术目的 - 因为我们已经完成了CRISPR和限制酶的研究。我们发现的任何一种新系统可能是下一个基因编辑工具 - 或者甚至是更令人兴奋的分子工具的基础，“Sorek说。

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