Procesor za gene: Naučnici otkrili novi alat za biološko programiranje

Foto: Shutterstock

Naučnici sa Instituta Arc otkrili su mehanizam rekombinaze, revolucionarni alat koji omogućava potpuno programiranje DNK pomoću preuređivanja. Njihovo otkriće, opisano u nedavnom radu u časopisu Nature, predstavlja prvu DNK rekombinazu koja koristi nekodirajuću RNK za sekvencijalnu selekciju ciljne i donorske DNK molekule. Ova RNK može da se programira, što omogućava korisniku da odredi bilo koju željenu ciljnu sekvencu genoma i bilo koju donorsku DNK molekulu za ubacivanje, piše SciTech Daily.

Istraživanje je razvijeno u saradnji sa laboratorijama Silvane Konerman, glavne istraživačice Instituta Arc i vanredne profesorke biohemije na Univerzitetu Stanford, i Hirošija Nišimasu, profesora strukturne biologije na Univerzitetu u Tokiju.

Preporučujemo

- Bridž RNK sistem je fundamentalno novi mehanizam za biološko programiranje. Rekombinacija može univerzalno modifikovati genetski materijal kroz sekvencijalno specifično ubacivanje, isecanje, inverziju i još mnogo toga, omogućavajući procesor za živi genom izvan CRISPR-a – rekao je dr Patrik Hsu, viši autor studije i glavni istraživač Instituta Arc i vanredni profesor bioinženjeringa na Univerzitetu Berkli.

Bridž rekombinacioni sistem potiče iz elementa insercije 110 (IS110), jednog od bezbroj tipova transpozabilnih elemenata – ili "skakućućih gena" – koji sečom i lepljenjem pomeraju unutar i između mikrobioloških genoma. Transpozabilni elementi se nalaze u svim oblicima života i evoluirali su u profesionalne mašine za manipulaciju DNK kako bi preživeli. IS110 elementi su veoma mali. Sastoje se samo od gena koji kodira enzim rekombinazu, i pratećih DNK segmenata koji su, do sada, ostali misterija.

Hsu laboratorija je otkrila da kada se IS110 izbacuje iz genoma, nekodirajući krajevi DNK se spajaju kako bi proizveli RNK molekulu – bridž RNK – koja se presavija u dve petlje. Jedna petlja se veže za sam IS110 element, dok se druga petlja veže za ciljnu DNK gde će element biti ubačen. Bridž RNK je prvi primer bispecifičnog vodiča molekula, koji određuje sekvencu i ciljne i donorski DNK kroz uparivnje baza. Svaka petlja bridž RNK je nezavisno programabilna, omogućavajući istraživačima da kombinuju bilo koje ciljne i donorski DNK sekvence od interesa. To znači da sistem može ići daleko iznad svoje prirodne uloge koja ubacuje sam IS110 element, umesto toga omogućavajući ubacivanje bilo kog željenog genetskog tereta – poput funkcionalne kopije oštećenog, ili gena koji izaziva bolest – u bilo koju lokaciju u genomu.

U ovom radu, tim je pokazao efikasnost ubacivanja željenog gena u E. coli od preko 60% sa preko 94% specifičnosti za tačnu lokaciju u genomu.

– Ove programabilne bridž RNK razlikuju IS110 od drugih poznatih rekombinaza, koje nemaju RNK komponentu i ne mogu se programirati. Kao da je bridž RNK univerzalni strujni adapter koji čini IS110 kompatibilnim sa bilo kojom utičnicom – rekao je koautor Nik Peri, diplomirani student bioinženjeringa na UC Berkli.

Otkriće Hsu laboratorije je upotpunjeno njihovom saradnjom sa laboratorijom dr Hirošija Nišimasua na Univerzitetu u Tokiju, takođe objavljenom 26. juna u časopisu Nature. Nišimasu laboratorija je koristila kriogensku elektronsku mikroskopiju da odredi molekularne strukture kompleksa rekombinaza-bridž RNK vezanog za ciljnu i donorsku DNK, sekvencijalno napredujući kroz ključne korake procesa rekombinacije.

Dalje istraživanje i razvoj bridž mehanizam obećava da će doneti treću generaciju RNK vođenih sistema, proširujući se izvan mehanizama sečenja DNK i RNK CRISPR-a i RNA interferencije (RNAi) kako bi ponudio jedinstveni mehanizam za programabilno preuređivanje DNK. Kritično za dalji razvoj bridž rekombinacionog sistema za dizajn genoma sisara, bridž rekombinaza spaja obe DNK niti bez oslobađanja isečenih DNK fragmenata – zaobilazeći ključnu ograničenost trenutnih vrhunskih tehnologija za uređivanje genoma.

Bridž rekombinacioni mehanizam rešava neke od najfundamentalnijih izazova sa kojima se suočavaju druge metode uređivanja genoma. Sposobnost programabilnog preuređivanja bilo koje dve DNK molekule otvara vrata ka proboju u dizajnu genoma.

(Telegraf Nauka / SciTech Daily)