CRISPR lover at tackle antimikrobiel resistens, men bakterier kan kæmpe tilbage

I sin præsentation "How to use CRISPR-Cas to combat AMR" på ESCMID Global Congress vil assisterende prof. Ibrahim Bitar, Institut for Mikrobiologi, Det Medicinske Fakultet og Universitetshospitalet i Plzen, Charles University i Prag, Plzen, Tjekkiet, give et overblik over CRISPR-teknologiens molekylære biologi ved at forklare, hvordan den kan bruges til at tackle antimikrobiel resistens.

Korte palindromiske gentagelser (CRISPR'er) og CRISPR-associerede gener (cas) er udbredte i genomet af mange bakterier og er en forsvarsmekanisme mod fremmede angribere såsom plasmider og vira. CRISPR-arrays er sammensat af et gentaget array af korte sekvenser, der hver stammer fra og nøjagtigt matcher en nukleinsyresekvens, der engang invaderede værten.

Ledsagerende CRISPR-sekvenser er der 4-10 CRISPR-associerede gener (cas), som er meget konserverede og koder for Cas-proteinerne. Cas-proteiner leder adaptiv immunitet i prokaryoter (bakterier) baseret på immunologiske hukommelser lagret i CRISPR-arrayet.

CRISPR/Cas-systemet integrerer et lille stykke fremmed DNA fra angribere, såsom plasmider og vira, i deres direkte gentagelsessekvenser og vil genkende og nedbryde de samme eksterne DNA-elementer under fremtidige invasioner.

Da CRISPR/Cas-systemerne integrerer DNA fra invaderende patogener i kronisk rækkefølge, kan genotypebestemmelse bruges til at spore klonaliteten og oprindelsen af ​​isolaterne og definere dem som en population af stammer, der blev udsat for de samme miljøforhold, herunder geografisk placering (region). ) og lokalsamfund/hospitaler og i sidste ende udvidet yderligere til at spore patogene bakterier rundt om i det menneskelige samfund.

CRISPR/Cas-systemer kan også bruges til at udvikle antimikrobielle midler:introduktion af selvmålrettede crRNA'er vil effektivt og selektivt dræbe målbakteriepopulationer. På grund af manglen på tilgængelige effektive antimikrobielle midler til behandling af multiresistente (MDR) infektioner, begyndte forskere at søge efter alternative metoder til at bekæmpe MDR-infektioner i stedet for at gå gennem processen med at udvikle nye antimikrobielle midler, som kan fortsætte i årtier.

Som et resultat heraf blev konceptet med CRISPR/Cas-baserede selektive antimikrobielle stoffer først udviklet og demonstreret i 2014. Vektorer, der koder for Cas9 og guider RNA'er rettet mod genomiske loci af en specifik bakteriestamme/-art, kan leveres til målstammen via bakteriofager eller konjugative bakterier stammer.

I teorien eliminerer levering af de konstruerede CRISPR/Cas-systemer specifikt målstammer fra bakteriepopulationen, men det er ikke så enkelt.

Selvom disse systemer kan virke som et mål for manipulation/intervention, reguleres alle bakterier af flere veje for at sikre, at bakterierne bevarer kontrollen over processen. Derfor er der stadig flere store udfordringer ved at bruge dette system som et antimikrobielt middel.

De fleste metoder kræver levering af det re-sensibiliserede system ved konjugation; vektoren bæres af en ikke-virulent laboratoriestamme-bakterier, der formodes at gå og dele vektoren/plasmidet gennem konjugation. Konjugationsprocessen er en naturlig proces, som bakterierne udfører, hvilket resulterer i at dele plasmider med hinanden (selv med andre arter).

Procentdelen af ​​konjugerede (med succes leveret) bakterier i den samlede bakteriepopulation er afgørende for den re-sensibiliserede effektivitet. Denne proces er styret af flere komplicerede veje.

Bakterier har også indbyggede anti-CRISPR-systemer, som kan reparere skader forårsaget af CRISPR-Cas-systemer.

Forsvarssystemer, som bakterierne bruger til at beskytte sig mod fremmed DNA, co-lokaliseres ofte inden for forsvarsøer (genomiske segmenter, der indeholder gener med lignende funktion til at beskytte værten mod angribere) i bakterielle genomer; for eksempel:acr (et gen, der sammen med andre lignende varianter fungerer som en repressor af plasmidkonjugative systemer) klynger ofte sammen med antagonister af andre værtsforsvarsfunktioner (f.eks. anti-restriktionsmodifikationssystemer) og eksperter antager, at MGE'er (mobile genetiske elementer) ) organisere deres modforsvarsstrategier i "anti-forsvars"-øer.

Adjunkt Bitar konkluderer:"Sammenfattende virker denne metode meget lovende som en alternativ måde at bekæmpe antimikrobiel resistens på. Metoden bruger konceptet med at gensensibilisere bakterierne for at gøre brug af allerede tilgængelige antibiotika - med andre ord fjerne deres resistens og gøre dem sårbare igen over for førstevalgs antibiotika.

"Ikke desto mindre er de bakterielle veje altid komplicerede, og sådanne systemer er altid stærkt reguleret af flere veje. Disse regulerede veje skal studeres i dybden for at undgå selektivt tryk, der favoriserer aktivering af anti-CRISPR-systemer, og dermed udbredelsen af ​​resistens på en mere aggressiv måde ."

Leveret af European Society of Clinical Microbiology and Infectious Diseases