通過拍攝一系列近原子分辨率的快照，康奈爾大學和哈佛醫(yī)學院的科學家們一步一步地觀察了細菌如何抵御外來入侵者，如噬菌體，一種感染細菌的病毒。

他們觀察到的過程使用CRISPR(聚集的規(guī)則間隔的短回文重復序列)位點，其中可以剪切細胞的DNA以插入額外的DNA。

生物學家使用CRISPR進行基因工程實驗，但細胞可能已經將這種機制演變?yōu)榉烙到y(tǒng)的一部分。細胞使用這些位置來存儲入侵者的分子記憶，以便在下次遭遇時可以選擇性地根除它們。

“除了我們的系統(tǒng)在蛋白質識別水平上起作用外，蟲子的免疫系統(tǒng)與我們的效率一樣有效，而CRISPR在核酸識別水平上起作用，”分子生物學和遺傳學教授Ailong Ke解釋道。

在第一次遇到時，細菌將一些入侵者的DNA插入到CRISPR位置的自己的基因組中。需要時，存儲的DNA的RNA轉錄物(稱為指導RNA)可以與其他蛋白質組裝成稱為Cascade(CRISPR相關復合物用于抗病毒防御)的復合物。該系統(tǒng)非常高效和精確，以至于研究人員已經想到了將其重新用于基因組編輯應用的方法，以及在DNA的精確位置引入變化。“在我們發(fā)言時，一場CRISPR革命席卷了生物學，”柯說。

在之前的研究中，Ke已經定義了該過程中涉及的蛋白質-RNA復合物的功能，并使用康奈爾高能同步加速器源(CHESS)的X射線晶體學設備來確定它們的結構。Ke實驗室的博士后研究員Yibei Xiao一步一步地制定了整個免疫過程。“下一步是捕捉這些步驟的結構快照，制作一部關于正在發(fā)生的事情的高清電影，”柯說。

柯與哈佛醫(yī)學院細胞生物學助理教授廖茂夫合作，他是一位使用低溫電子顯微鏡確定在冰層中冷凍的大分子高分辨率結構的專家。使用用于發(fā)酵的細菌Thermobifida fusca，Ke的實驗室制備了代表免疫反應的不同階段的樣品。廖和他的博士后研究員羅敏凍結了這些樣本，并在每一步拍攝了高分辨率的快照。該研究的重點是特定版本的CRISPR相關防御，稱為IE型。

“我們大致知道它的工作原理，但沒有結構，我們沒有細節(jié)，”柯說。“一張圖片勝過千言萬語。”

“科學家們假設這些狀態(tài)存在，但他們缺乏視覺證明它們的存在，”羅說。“現在，看到真的相信。”

該研究結果于6月29日發(fā)表在Cell雜志上，提供的結構數據可以提高生物醫(yī)學CRISPR操作的效率和準確性。這種防御機制的方面 - 特別是它如何搜索其DNA靶標 - 尚不清楚，并且引起了對非預期的脫靶效應以及使用CRISPR-Cas機制治療人類疾病的安全性的擔憂。

“為了解決特異性問題，我們需要了解CRISPR復合物形成的每一步，”廖說。

“為了在人類醫(yī)學中應用CRISPR，我們必須確保系統(tǒng)不會意外地針對錯誤的基因，”柯說。“我們的論點是，I型系統(tǒng)可能比CRISPR-Cas9更準確，因為它在行動之前檢查更長的序列，系統(tǒng)將目標搜索和降級分為兩個步驟，其間具有內置的安全功能。 ”

到目前為止，I型CRISPR為精確基因編輯提供了有限的實用性，但它可以用作對抗抗生素抗性細菌菌株的工具。

Ke和Xiao與同一期Cell雜志合著了另一篇論文，與德克薩斯大學奧斯汀分校生物科學助理教授Ilya Finkelstein一起描述了Cascade如何在單分子水平上搜索目標。