Eine Kosten-Nutzen-Analyse für CRISPR-Cas-Verfahren
CRISPR-Cas-Verfahren sind eine natürliche Abwehr für Prokaryoten (Bakterien und Archaeen). Wenn ein fremdes Genelement – etwa ein Virus – in einen dieser Mikroorganismen eindringt, entnimmt die Zelle dem eindringenden Organismus einen DNS-Ausschnitt und speichert diese DNS in ihrem eigenen Genom. Wenn ein ähnlicher Eindringling einen neuen Anlauf startet, wird ein Alarm ausgelöst und der Prokaryot zerschneidet seine DNS, wodurch der Versuch unterbunden wird. Diese Verfahren sind bestens bekannt und wurden in die Genomeditierungstechnologie übernommen (und auf ihr Potenzial zur Behandlung bakterieller Infektionen untersucht). Die jeweiligen Kosten und Vorteile für die Wirtsorganismen sind hingegen unbekannt. „Wir wissen, dass CRISPR-Cas-Verfahren bei einigen Mikroorganismen eine überaus wirksame antivirale Abwehr darstellen, bei anderen jedoch gegen Viren völlig nutzlos sind“, sagt Uri Gophna(öffnet in neuem Fenster), Professor an der Fakultät für molekulare Zellbiologie und Biotechnologie der Universität Tel Aviv. „Und dennoch bleiben sie in der Evolution erhalten, also muss es offensichtlich zusätzliche Vorteile für ihre Existenz geben“, fügt er hinzu. Im Rahmen von Projekt CRISPR-EVOL(öffnet in neuem Fenster), das durch den Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, nutzten Gophna und sein Team Techniken aus dem Bereich der Genomik und der experimentellen Evolution im großen Maßstab, um einige der Kosten und Vorteile dieser Verfahren herauszuarbeiten. „Einer dieser Vorteile, die wir nachgewiesen haben, ist die schnellere Erholung von DNS-Schäden“, sagt Gophna. „Die Tatsache, dass CRISPR-Cas-Verfahren einen Nutzen für die DNS-Reparatur bieten, hilft zu erklären, warum sie trotz gewisser ‚Wartungskosten‘, beispielsweise aufgrund von Autoimmunität, unter geringem Virusdruck aufrechterhalten werden.“
Messung neuer DNS-Rekombinationsmuster
Das Projekt untersuchte, wie CRISPR-Cas-Verfahren Rekombinationsmuster, also den Prozess der Schaffung neuer genetischer Materialkombinationen, verändern, und erforschte, wie CRISPR-assoziierte Proteine die zelluläre DNS-Reparatur unterstützen. Die Forschung umfasste die Entwicklung von „Paarungs-Assays“, bei denen zwei Elternstämme auf Filtern gemischt und später in ein Medium überführt werden, in dem sie nur wachsen können, wenn ein erfolgreiches Paarungsereignis (das zu einem DNS-Austausch führt) stattgefunden hat. „Dies ermöglicht die Quantifizierung der Paarungseffizienz mit oder ohne CRISPR-Cas-Targeting“, erklärt Gophna.
Archaeen für die grüne Biotechnologie erschließen
CRISPR-Cas-Verfahren können den lateralen Gentransfer (genetische Weitergabe zwischen Organismen, die in einer Umgebung koexistieren) stoppen, von dem man annahm, dass er die genetische Vielfalt verringert. Doch CRISPR-EVOL hat demonstriert, dass dies nicht der Fall ist. „Wir zeigen, dass die Anvisierung durch CRISPR-Cas(öffnet in neuem Fenster) zwar den DNS-Austausch zwischen entfernten Arten einschränkt, tatsächlich jedoch die artinterne Rekombination zwischen verschiedenen Stämmen derselben Spezies erhöht“, erklärt Gophna. „Wir haben außerdem gezeigt, dass manche chronische Viren CRISPR-Cas vollständig unterdrücken und dadurch unbegrenzt im Wirt fortbestehen können, da kein CRISPR-Immungedächtnis gegen sie erzeugt wird“, bemerkt Gophna. Aus der Heilung eines halophilen Archaeons(öffnet in neuem Fenster) von seinem chronisch infizierenden Virus ging ein Stamm mit stark verbesserter Wachstumsrate und Ausbeute hervor. „Dieser Ansatz wurde patentiert und wir hoffen, dass er neue Märkte für Haloarchaeen in der grünen Biotechnologie eröffnen wird“, sagt Gophna.
Die anderen Abwehrsysteme der Natur erforschen
Die Forschenden werden weiterhin die evolutionären Aspekte von CRISPR-Cas-Verfahren untersuchen, insbesondere verschiedene faszinierende Beispiele, bei denen sich zwei Systeme, die von zwei unterschiedlichen Genelementen kodiert werden, in derselben Zelle befinden. Darüber hinaus wurde die Forschung auf zusätzliche Abwehrsysteme ausgedehnt. „Wir untersuchen nicht nur die Auswirkungen auf den Genaustausch zwischen Stämmen, sondern auch die Evolution der Komplexität – wie verschiedene Komponenten mit der Zusammenzuarbeit beginnen und ein System werden“, merkt Gophna an. „Wir haben bereits gezeigt, dass einzelne Komponenten sowohl in CRISPR-Cas- als auch in CBASS-Verfahren(öffnet in neuem Fenster) dem Wirt nützen können, aber das ist nur die Spitze des Eisbergs.“
