一项新的研究提示着计划利用CRISPR基因组编辑系统产生定制的肠道细菌的科学家们可能需要解释这种微生物免疫系统的动态进化。
CRISPR是一种获得性免疫系统。它允许细菌和其他的单细胞生物储存DNA片段，从而保护它们自己免受被称作噬菌体的病毒感染。这种系统允许原核生物细胞“记住”它之前遭遇到的噬菌体，并对它产生免疫防御。
从2012年开始，科学家们发现他们能够利用CRISPR蛋白准确地编辑细菌、动物和人类的基因组。这一发现被Science期刊评为2015年的年度突破，可能最终允许科学家们对遗传病患者的细胞进行重编程。
尽管利用CRISPR编辑基因组取得快速的进展，但是科学家们仍然对CRISPR免疫防御系统在细菌和其他的单细胞原核生物中如何进化提出很多问题。美国莱斯大学物理学家、生物工程师Michael Deem在2010年就被CRISPR所吸引，设计出多种计算机模型来探究CRISPR的内部工作机制。
在这项新的研究中，Deem和前研究生Pu Han发现噬菌体和细菌之间存在微妙的相互作用。根据这两者彼此多久相遇和其中的一方如何快速地对另一方产生防御力，这种相互作用能够发生变化。这项研究记录了细菌和噬菌体之间存在的一种奇怪的存活-灭绝模式，这有助解释貌似相互冲突的让CRISPR研究人员头疼不已的实验结果。相关研究结果于2017年2月15日发表在Journal of the Royal Society Interface期刊上，论文标题为“Non-classical phase diagram for virus bacterial coevolution mediated by clustered regularly interspaced short palindromic repeats”。
Deem说，“噬菌体和细菌之间共同进化。细菌将来自噬菌体的DNA整合到它们的基因组中，这允许细菌或它们的后代免受这些噬菌体的感染。”
就像所有的生物一样，仅攻击单细胞生物的噬菌体持续地发生进化。Deem说，它们发生突变和改变它们的DNA序列的速率是能够影响CRISPR如何好地识别和抵抗它们的一个变量。CRISPR持续地添加新的DNA片段，抛弃旧的DNA片段。在利用CRISPR建模时，另一种必需考虑在内的因素是CRISPR仅有有限的空间来储存噬菌体DNA。还有一种变量是相遇率（encounter rate），即细菌和噬菌体多久相接触。
Deem说，“如果我们利用一种简单的将这些参数考虑进去的模型获得结果，那么我们将会看到这些结果划分为三种状态：第一种状态，CRISPR获胜，促进噬菌体灭绝；第二种状态，噬菌体胜出，杀死细菌；第三种状态就是这两者共存。”
物理学家经常利用这些状态图探究系统的动态变化。通过改变相遇率和突变率，科学家们能够研究特定的组合如何促进这种系统从一种状态切换到另一种状态。
在这项新的研究中，Deem和Han（如今是谷歌公司的一名软件工程师）发现相遇率和突变率的某些组合产生一种意料之外的结果，即一种五状态图：基于CRISPR的添加-抛弃率和细菌-噬菌体的相遇率之间的复杂相互作用，在两种状态中，噬菌体茁壮成长；在另外两种状态中，噬菌体几乎被消灭。
Deem说，“一般而言，我们可能期待在较高的相遇率下，CRISPR免疫系统会导致噬菌体灭绝，这是因为该系统足够频繁地遇到这些噬菌体以至于它当前含有它们的DNA拷贝。在我们的状态图中，我们将这种情形称为第四种状态。我们的首个有趣的发现是尽管在这种情形下，灭绝是可能发生的，但是总是存在一种可能：我们计算出这些噬菌体将会逃脱而不会灭绝。这种自然变异是令人关注的。”
“第二种发现是随着我们降低噬菌体与细菌之间的相遇率，如今每个单位时间里存在更少的噬菌体感染细菌，这些细菌获得来自噬菌体的DNA的几率也随之下降了，因而如今这些噬菌体能够与这些细菌共存。我们将这种情形称为第三种状态。因此，噬菌体从灭绝切换到不灭绝，也就是如今，这两者共存。这是预料中的，也是非常合情合理的。”
“令人吃惊的是，我们发现进一步降低这种相遇率，也就是细菌如今有更少的几率将来自噬菌体的DNA整合到CRISPR中，这会导致另一种状态出现：噬菌体陷入灭绝的境地。这就是第二种状态。人们并没有预料到这一点。”
在研究这种结果时，Deem和Han发现第二种灭绝状态发生的原因在于噬菌体感染率和细菌生长率都是相同的，对这些噬菌体产生免疫力的任何一种细菌菌株将足够快地增殖以至于它们在与所有其他的细菌和噬菌体的竞争中胜出。在这种灭绝状态下，CRISPR中的单个病毒DNA拷贝允许这种细菌菌株战胜噬菌体。这就不同于第四种状态：在较高的相遇率下，CRISPR中的很多个病毒DNA拷贝允许多种细菌菌株战胜噬菌体。
Deem说，这些结果有助解释之前的让CRISPR研究界迷惑不已的实验结果。
Deem说，“针对CRISPR是否能够控制噬菌体和在什么情形下会导致共存出现，人们存在一些争议。这种现象出现的原因在于不同的实验产生来自第二种状态、第三种状态和第四种状态的结果。我们的结果阐明了这些状态的范围，并且证实这种范围至少是部分上测量的。”
Deem说，这些发现仅适用于CRISPR在细菌和原核系统中的使用。当科学家们试图利用CRISPR基因编辑工具对这些有机体或影响它们的噬菌体进行修饰时，就应当考虑这种动态进化。
Deem说，“比如，人们最终将开始编辑微生物组，即让人体保持健康的有益肠道细菌和噬菌体群体。若要通过编辑微生物组让人们变得更加健康、控制肥胖或情绪等，如今仍需开展大量的研究。针对那些对噬菌体-微生物组相互作用进行编辑的人而言，考虑这些微妙的共进化将是比较重要的。”
