从避免使用动物胰腺的细菌制造胰岛素到更好地了解传染病和改进治疗方法，细菌基因工程重新定义了现代医学。然而，严重的限制仍然存在，阻碍了许多其他领域的进展。
一种有几十年历史的细菌工程技术被称为重组(重组介导的基因工程)，它允许科学家们毫无疤痕地将他们选择的DNA片段交换到细菌基因组的区域。
但令人遗憾的是，这种宝贵而通用的方法仍然没有得到充分利用，因为它主要局限于大肠杆菌——细菌世界的实验室老鼠——和少数其他细菌物种。
现在，哈佛医学院Blavatnik研究所和匈牙利塞格德生物研究中心的研究人员开发了一种新的基因工程方法，有望对重组进行超级强化，并为这种未充分利用的方法打开细菌世界的大门。
5月28日，《美国国家科学院院刊》发表了一篇详细介绍该团队技术的报告。
研究人员已经开发出一种高通量筛选方法来寻找作为重组引擎的最有效的蛋白质。这种被称为saps的蛋白质存在于噬菌体(感染细菌的病毒)中。
应用新方法，可以筛选超过200种saps，研究人员发现了两种看起来特别有前途的蛋白质。
其中之一是将细菌基因组单点编辑的效率提高了一倍。它还将多重编辑的能力提高了十倍，即同时在全基因组范围内进行多重编辑。
另一种方法使人类病原体铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的有效重组成为可能。铜绿假单胞菌是危及生命的医院获得性感染的常见原因，长期以来一直缺乏良好的遗传工具。
“重组将是一个非常关键的工具，它将在未来增强我们的DNA写作和编辑能力，这是提高技术效率和范围的重要一步，”该研究的第一作者蒂莫西·万尼尔说，他是乔治·彻奇实验室的遗传学研究助理，也是HMS的罗伯特·温斯洛普遗传学教授。
研究人员说，以前的基因工程方法，包括基于CRISPR cas9的基因编辑，都不适合细菌，因为这些方法涉及“剪切和粘贴”DNA。
这是因为，与多细胞生物不同，细菌缺乏有效而精确地修复双链DNA断裂的机制，因此DNA切割会严重干扰细菌基因组的稳定性，万尼尔说。重组的优势在于它不需要切割DNA。
相反，重组包括在细菌繁殖过程中偷偷地编辑基因组。细菌分裂成两半繁殖。
在这个过程中，它们的双链环状DNA染色体中的一条链与在裂变早期生长的新的第二条链一起进入每个子细胞。
重组的原料很短，大约有90个碱基链的DNA是按顺序排列的。
每条链都与基因组中的一个序列相同，除了在链的中心进行了编辑。当子细胞的第二股生长时，这些短链会滑到合适的位置，有效地将编辑的基因整合到它们的基因组中。
在许多可能的用途中，编辑可能被设计用来干扰基因，以查明其功能，或者，或者，提高有价值的细菌产物的生产。SSAPs介导短链在生长的新半子染色体内的连接和适当的位置。
重组可能会使天然存在的细菌氨基酸——蛋白质的组成部分——被人工氨基酸取代。
万尼尔说，除此之外，这样做可以使细菌用于环境清理石油泄漏或其他依赖这些人工氨基酸生存的污染物，这意味着一旦工作完成，改造过的细菌很容易被消灭，从而避免了将工程微生物释放到环境中的风险。
万尼尔补充说:“这种细菌需要人工氨基酸补充剂才能生存，这意味着它们在没有人工饲料的情况下就会死亡。”
重组的一个版本，称为多重自动基因组工程(MAGE)，可以极大地提高该技术的效益。MAGE的特殊优势在于它能够一次性对整个基因组进行多次编辑。
HMS遗传学讲师约翰?亚赫(John Aach)表示，MAGE可能会导致需要重新设计整个代谢途径的项目取得进展。Aach补充说，一个恰当的例子是大规模尝试设计微生物将木材废料转化为液体燃料。
他说:“研究人员多年来在这方面的努力已经取得了很大进展，尽管他们还没有生产出具有市场竞争力的产品。”
亚赫说，这样的努力需要测试多种编辑组合。
“我们发现，将MAGE与DNA序列库结合使用是找到优化途径组合的一种非常好的方法。”
重组的一个更近期的后代，被命名为随机基因组突变的定向进化(DIvERGE)，有望在对抗传染病方面带来好处，并可能为解决抗生素耐药性开辟新的途径。
通过在基因组中引入随机突变，DIvERGE可以加速细菌的自然进化。这有助于研究人员迅速发现有害细菌中可能自然产生的变化，这些变化会使它们对抗生素治疗产生抗药性，hms教堂实验室的遗传学研究员Akos Nyerges解释说，他曾在匈牙利科学院生物研究中心工作。
Nyerges说:“重组技术的改进将使研究人员能够更快地测试细菌种群如何获得对新型抗菌药物的耐药性，从而帮助研究人员识别不易产生耐药性的抗生素。”
研究人员说，重组可能会带来一个全新的应用世界，在这个关键时刻，这是很难预见的。
