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在CRISPR成为基因组编辑的超级巨星之前，它还有一个基本功能，那就是保护细菌免受噬菌体的入侵。如今，研究人员决定以其人之道还治其人之身，希望用CRISPR来解决日益突出的抗生素耐药性问题，并试图改造人类的微生物组。
回归天然
Rodolphe Barrangou是北卡罗来纳大学的一名研究人员。十多年来，他一直在研究CRISPR在细菌和古细菌中的功能。因此，当这个系统成为基因组编辑工具时，他迫不及待要尝试一下。他的团队利用CRISPR来切割各种序列，但是在靶向细菌染色体时，大多数细胞死亡。“死亡才是主要的后果，编辑只是副作用，因为细菌中的DNA修复不如真核生物先进。不过，我们意识到我们可以利用这个来杀死细菌，而不是编辑。”
当噬菌体感染细菌或古细菌时，CRISPR系统将噬菌体DNA片段存储为一种免疫记忆。然后，细胞从存储的序列中转录向导RNA，将其与Cas酶配对，对细胞进行严密监控，以防止入侵者再次来袭。当RNA发现其配对时，Cas切割噬菌体DNA，防止其复制。
Barrangou的团队认为，如果他们能够提供细菌特异的向导RNA，则可以诱发天然的CRISPR系统去切割那些携带抗生素抗性基因的质粒，甚至是切断细胞本身的染色体，选择性地去除群体中的某些细菌。
2014年，Barrangou及其同事在《mBio》期刊上发表了原理证明的文章。研究表明，通过天然的CRISPR系统或向细胞中导入CRISPR组分，可以诱导细胞死亡。这种方法使他们能够特异性地去除混合培养物中的某些细菌，并滴定细胞死亡水平。有了这些成果在手，研究人员认识到让CRISPR方法成为新一类抗生素的潜力。
“CRISPR的美妙之处就在于它能够攻击和杀死抗生素耐药细菌，就像抗生素敏感细菌那么轻松。另一方面，CRISPR可以只针对病原体，从而保留我们的天然细菌以及它们的健康益处。”北卡罗来纳大学的另一名研究人员Chase Beisel谈道。
避免耐药
为了让CRISPR系统成为“抗生素”，研究人员选择了几种不同的导入方式，噬菌体是最有希望的一种。Beisel认为，噬菌体的挑战在于，它们是高度复杂的系统，尚未被广泛改造。“我们仍然在学习如何改造噬菌体，以便可靠地包装感兴趣的DNA，并导入一组特定的细菌，”他说。研究团队目前正在改造识别细菌的噬菌体尾丝，希望扩大CRISPR抗生素的潜在目标。
许多烈性噬菌体带有天生的杀菌特性。杜克大学的Dave Ousterout计划将此纳入他的CRISPR抗生素设计，以便提高治疗效果。尽管烈性噬菌体可以自己杀死细胞，并具有出色的安全性，但它们需要在宿主细胞内复制才能发挥作用，而它们的宿主范围有限，不容易改变。在它们身上使用CRISPR，一方面避免了复制的需要，另一方面也绕开了噬菌体增殖所带来的监管问题。
“有了CRISPR武装的噬菌体，这些疗法可以进一步开发和优化，针对那些更传统的药代动力学参数，如持久性、时间和浓度，”Ousterout解释说。
一切听起来都不错，但所有的抗微生物制剂都面临着强大的选择压力，也提高了细菌形成耐药性的可能。不过，CRISPR是如此灵活，研究人员也许能够领先一步，并快速设计出新一代的CRISPR抗生素，来打败细菌的进化。
“我们对CRISPR-Cas3非常有信心，因为它能够同时靶定基因组中的许多位点，从而避开潜在的耐药机制，”Ousterout说。在杀死细胞上，Cas3是比Cas9更好的选择。Cas9常用于基因组编辑任务，产生细菌可以修复的双链断裂，而Cas3的切割是不可修复的。“我们的方法依赖噬菌体的混合物，它们以不同的方式靶定细菌。总而言之，这些方法将减轻快速耐药的机会。”
改造微生物组
尽管开发新一类的抗生素对人类健康来说是重中之重，但是这种技术的应用可能远远不止治疗细菌感染。近年来，微生物组几乎与CRISPR齐名，它们能够以惊人的方式影响人类健康，包括代谢、心脏功能，以及神经退化和精神健康。
许多研究人员看到了改造微生物组的潜力。粪便移植和益生菌已被证明是有用的，但这些疗效也许只是暂时的，因为选择压力可能会将细菌群体推回原先的平衡。“这种技术有望在复杂的环境下实现特定物种的选择性去除，如微生物组，”Ousterout说。
