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CRISPR-based engineering of phages for in situ bacterial base editing

生物 清脆的 基因组编辑 基因组工程 遗传学 原噬菌体 计算生物学 重组工程 Cas9 人口 质粒 基因 合成生物学 大肠杆菌 噬菌体 人口学 社会学
作者
Matthew A. Nethery,Claudio Hidalgo-Cantabrana,Avery Roberts,Rodolphe Barrangou
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:119 (46) 被引量:13
标识
DOI:10.1073/pnas.2206744119
摘要

Investigation of microbial gene function is essential to the elucidation of ecological roles and complex genetic interactions that take place in microbial communities. While microbiome studies have increased in prevalence, the lack of viable in situ editing strategies impedes experimental progress, rendering genetic knowledge and manipulation of microbial communities largely inaccessible. Here, we demonstrate the utility of phage-delivered CRISPR-Cas payloads to perform targeted genetic manipulation within a community context, deploying a fabricated ecosystem (EcoFAB) as an analog for the soil microbiome. First, we detail the engineering of two classical phages for community editing using recombination to replace nonessential genes through Cas9-based selection. We show efficient engineering of T7, then demonstrate the expression of antibiotic resistance and fluorescent genes from an engineered λ prophage within an Escherichia coli host. Next, we modify λ to express an APOBEC-1-based cytosine base editor (CBE), which we leverage to perform C-to-T point mutations guided by a modified Cas9 containing only a single active nucleolytic domain (nCas9). We strategically introduce these base substitutions to create premature stop codons in-frame, inactivating both chromosomal (lacZ) and plasmid-encoded genes (mCherry and ampicillin resistance) without perturbation of the surrounding genomic regions. Furthermore, using a multigenera synthetic soil community, we employ phage-assisted base editing to induce host-specific phenotypic alterations in a community context both in vitro and within the EcoFAB, observing editing efficiencies from 10 to 28% across the bacterial population. The concurrent use of a synthetic microbial community, soil matrix, and EcoFAB device provides a controlled and reproducible model to more closely approximate in situ editing of the soil microbiome.

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