Naukowcom udało się zarejestrować działanie technologii CRISPR-Cas9 w akcji. Na nagraniu widać, jak cięta jest nić DNA. To pierwsze tego typu nagranie w historii.
Technologia edycji genów CRISPR-Cas9 stosowana jest już od co najmniej kilku lat, ale do tej pory naukowcy nie zaobserwowali bezpośrednio technologii w akcji.
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) to system używany przez bakterie do obrony przed wirusami. To taki mechanizm obronny, powtarzająca się sekwencja fragmentów DNA. Zauważona została przez Yoshizumi Ishino pod koniec lat 80. ubiegłego wieku w genomie bakterii Escherichia coli. CRISPR zawiera informacje o DNA wirusów i w połączeniu z enzymem tnącym DNA – endonukleazą Cas9 stanowi system obrony przed wirusami. Technika prawidłowo nazywa się CRISPR-Cas9, jednak dla uproszczenia używa się pierwszego członu nazwy.
Dzięki technologii edycji genów można programować geny z precyzją do pojedynczych nukleotydów – „liter” tworzących informację genetyczną. Należy dodać, że jest to stosunkowo prosta i tania technika. Dzięki CRISPR naukowcom udało się wymienić wadliwy gen w ludzkim zarodku czy usunąć z organizmu wirusa HIV. Spektakularnym przykładem jej wykorzystania było zakodowanie w DNA bakterii… krótkiego filmu. a potem odczytanie tego filmu, po wydobyciu go z DNA kolejnych pokoleń bakterii. Jednak technologia ta może prowadzić do niepożądanych mutacji, o czym poinformowali amerykańscy naukowcy.
Sama metoda CRISPR w dużym uproszczeniu działa na zasadzie rozpoznawania obcego DNA dzięki mRNA, które odpowiada za przenoszenie informacji genetycznej. Cała sekwencja CRISPR dzielona jest następnie na krótsze kawałki zawierające fragment DNA wirusa oraz sekwencję CRISPR. Na podstawie tej informacji tworzony jest zapis wirusa, który jest zapamiętywany przez komórkę i wykorzystywany w walce z wirusem. W przypadku infekcji wzorzec atakującego wirusa łączy się z enzymem Cas9 i tnie napastnika na kawałki całkowicie go unieszkodliwiając. Wycięte kawałki są potem dodawane do sekwencji CRISPR, swoistej bazy danych o zagrożeniach. Wzorce mogą być tworzone przez człowieka dzięki czemu możemy ingerować w geny, podstawiać lub wycinać niebezpieczne fragmenty.
Działania CRISPR-Cas9 odbywają się w tak małej skali, że bardzo trudno jest bezpośrednio obserwować funkcjonowanie technologii. Ale trudnie nie znaczy, że nie jest niemożliwe. W pracy opublikowanej na łamach czasopisma „Nature Communications”, zespół naukowców prowadzony przez Mikihiro Shibatę z Uniwersytetu Kanazawa i Hiroshiego Nishimasu z Uniwersytetu w Tokio zaprezentowała wizualną obserwacją działania CRISP-Cas9.
Single-molecule movie of DNA search and cleavage by CRISPR-Cas9. pic.twitter.com/3NQxmbvzJF
— hnisimasu (@hnisimasu) 10 listopada 2017
Dla amatora nagranie będzie ciężkie w interpretacji, ale to, co na nim widać, jest tym, co wielu uważa za jeden z największych przełomów w genetyce w ostatnim czasie. Te jasnobrązowe linie to nici DNA. Żółta kropka to CRISPR z enzymem tnącym Cas9. Fioletowe strzałki wskazują miejsce, w które „wgryza” się enzym, po czym, na co wskazuje szara strzałka, oddziela się ucięta nić DNA.
Nagranie zostało pierwszy raz zaprezentowane na konferencji poświęconej technologii CRISPR w Montanie w USA. To obecnie najgorętszy temat w genetyce. – Siedziałem z pierwszych rzędach, gdy odtworzono nagranie. Słyszałem za sobą westchnienia pełne zachwytu – powiedział Sam Sternberg, który współpracował z pionierką tej technologii - Jennifer Doudną z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Uczony dodał, że nigdy nie zetknął się z taką reakcją podczas konferencji naukowej.
To co pokazano na nagraniu nie jest niczym nowym. Badacze od dawna wiedzą, jak CRISPR działa. Jednak dowody na to zawsze były pośrednie. Współczesne badania biochemiczne to seria skomplikowanych rozwiązań, które pozwalają wnioskować o zachowaniu cząsteczek zbyt małych, aby je zobaczyć. Praca japońskich naukowców to zmienia.
Nagranie zostało wykonane za pomocą ulepszonego mikroskopu sił atomowych (High-speed atomic force microscopy, AFM), który umożliwia obrazowanie powierzchni z rozdzielczością rzędu wymiarów pojedynczego atomu dzięki wykorzystaniu sił oddziaływań międzyatomowych. Standardowy AFM (atomic force microscopy) używany jest do uzyskiwania obrazów statycznych, ale jego szybsza wersja umożliwia rejestrowanie dynamicznych procesów.
Źródło: Nature Communications, Live Science, fot. Nature Communications
