细菌几乎遍布地球上的每个栖息地，包括我们体内和体表。了解和改造细菌可以带来诊断、治疗和预防感染的新方法。此外，它还提供了保护农作物免受疾病侵害和创建可持续的化学生产细胞工厂的机会，从而减少对环境的影响——这只是对社会的众多好处中的一小部分。为了发挥这些优势，科学家需要能够操纵这些细菌的遗传内容。然而，长期以来，细菌基因工程的一个瓶颈是 DNA 的有效转化，即将外来 DNA 引入细胞的过程。这限制了它只能应用于一小部分微生物。

一个主要障碍是限制修饰系统的存在。这些保护系统用独特的甲基化模式标记细菌基因组，并破坏缺乏这种模式的外来 DNA。克服这一障碍需要将细菌的模式添加到 DNA 中，这个过程是菌株特异性的，涉及多个 DNA 甲基转移酶。这些酶将甲基基团(含有一个碳原子与三个氢原子结合的小化学基团)附着到 DNA 碱基上。目前复制或规避这些 DNA 甲基化模式的方法是劳动密集型的，不易扩展，因此需要新的方法。

为应对这一挑战，由德国不伦瑞克亥姆霍兹感染研究中心 (HZI) 所在地亥姆霍兹 RNA 感染研究所 (HIRI) 领导的团队与德国维尔茨堡大学 (JMU) 合作，引入了一种新方法来重现此类模式并增强 DNA 转化。他们将这种方法称为 IMPRINT，即在 TXTL 中快速模仿甲基化模式。作为该方法的一部分，研究人员使用无细胞转录翻译 (TXTL) 系统(一种可以从添加的 DNA 中产生核糖核酸 (RNA) 和蛋白质的液体混合物)来表达细菌特定的 DNA 甲基转移酶组。然后使用这些酶在将 DNA 递送到目标细菌之前对其进行甲基化。

全新的应用程序

“IMPRINT 代表了 TXTL 的全新用途。尽管 TXTL 被广泛用于各种目的，包括生产难以表达的蛋白质或作为经济实惠的诊断工具，但它以前从未被用于克服细菌 DNA 转化的障碍，”HIRI RNA 合成生物学系主任、JMU 医学院教授 Chase Beisel 表示。他与罗利北卡罗来纳州立大学 (NC State) 的研究人员合作开展了这项研究。他们的研究结果今天发表在《分子细胞》杂志上。

与现有方法相比，IMPRINT 速度快、操作简便：“目前的方法要么需要费力地纯化单个 DNA 甲基转移酶，要么在大肠杆菌中表达它们，而这通常具有细胞性，”这项研究的第一作者、北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系博士生 Justin M. Vento 说道。“这些方法可能需要几天到几周的时间，而且只能重建细菌甲基化模式的一小部分。”

研究人员证明，IMPRINT 可以表达多种 DNA 甲基转移酶。此外，这些酶可以组合起来重建复杂的甲基化模式。这大大增强了细菌(如病原体沙门氏菌和益生菌双歧杆菌)的 DNA 转化，包括后者一种难以转化、研究较少的细菌菌株。

新型抗生素和细胞疗法的基础

在现代医学和研究中，IMPRINT 的潜在应用非常广泛：它可以改善临床分离的细菌病原体和抗感染细菌(如共生菌或产生抗菌化合物的细菌)的 DNA 转化。对这些微生物进行基因改造可能会产生新类型的抗生素和基于细胞的疗法。

研究团队旨在扩大 IMPRINT 的使用范围：“我们希望使各种细菌病原体在遗传上易于研究，”Beisel 说道。他希望 IMPRINT 能够被研究界广泛采用：“到目前为止，某些细菌之所以被青睐为模型，仅仅是因为它们更容易进行遗传操作。我们希望，通过使用 IMPRINT，研究人员能够专注于最重要的细菌菌株，例如那些力增强或抗生素耐药性的菌株，”Beisel 总结道。