Analiza kosztów i korzyści systemów CRISPR-Cas
Systemy CRISPR-Cas stanowią naturalną obronę prokariotów - bakterii i archeonów. Kiedy obcy element genetyczny, taki jak na przykład wirus, dostanie się do jednego z tych mikroorganizmów, komórka ta pobiera fragment DNA intruza i zachowuje go we własnym genomie. Jeśli podobny intruz spróbuje wtargnąć ponownie, komórka uruchamia alarm, a organizm przecina jego DNA, zatrzymując w ten sposób inwazję. Systemy te są dobrze znane i zostały dotychczas wykorzystane w technologii edycji genów (oraz zbadane pod kątem potencjału w leczeniu zakażeń bakteryjnych). Koszty i korzyści dla organizmów pozostają jednak nieznane. „Wiemy, że w przypadku niektórych mikroorganizmów systemy CRISPR-Cas stanowią bardzo skuteczną obronę przeciwwirusową, jednak w innych przypadkach są całkowicie bezużyteczne w walce z wirusami”, wyjaśnia Uri Gophna(odnośnik otworzy się w nowym oknie), profesor w Studium Biologii Molekularnej Komórki i Biotechnologii na Uniwersytecie w Tel Awiwie. „Jednocześnie mechanizmy te są podtrzymywane w toku ewolucji, zatem oczywiste jest, że muszą istnieć dodatkowe korzyści z ich posiadania”, dodaje. W ramach projektu CRISPR-EVOL(odnośnik otworzy się w nowym oknie), finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Gophna i jego zespół wykorzystali techniki genomiki i ewolucji eksperymentalnej na szeroą skalę, aby ustalić niektóre koszty i korzyści wynikające ze stosowania tych systemów. „Jedną z tych korzyści jest szybsza regeneracja uszkodzonego DNA, co udało nam się udowodnić”, mówi Gophna. „Fakt, że systemy CRISPR-Cas zapewniają przewagę w zakresie naprawy DNA pomaga wyjaśnić, dlaczego organizmy utrzymują je w warunkach niskiego zagrożenia wirusami, pomimo istnienia pewnych kosztów utrzymania, wynikających na przykład z reakcji autoimmunologicznych”.
Pomiar nowych modeli rekombinacji DNA
W ramach projektu zespół ustalił, w jaki sposób systemy CRISPR-Cas zmieniają wzorce rekombinacji, czyli proces tworzenia nowych kombinacji materiału genetycznego, a także w jaki sposób białka związane z CRISPR wspomagają naprawę DNA komórkowego. Badania polegały na opracowaniu testów krzyżowania, w których dwa szczepy macierzyste mieszano na filtrach, a następnie przenoszono do pożywki, w której mogły rosnąć tylko wtedy, gdy doszło do udanego krzyżowania skutkującego wymianą DNA. „Pozwala to na ilościowe określenie efektywności kojarzenia się w przypadku obecności lub nieobecności ukierunkowanego mechanizmu CRISPR-Cas”, wyjaśnia Gophna.
Wykorzystanie archeonów na potrzeby zielonej biotechnologii
Systemy CRISPR-Cas mogą zatrzymać boczny transfer genów - proces dzielenia się genami pomiędzy organizmami współistniejącymi w tym samym środowisku, co dotychczas uważano za czynnik zmniejszający różnorodność genetyczną. Zespół projektu CRISPR-EVOL wykazał jednak, że nie jest to prawdą. „Wykazaliśmy, że pomimo tego, że celowanie przez CRISPR-Cas(odnośnik otworzy się w nowym oknie) ogranicza wymianę DNA między odległymi gatunkami, w rzeczywistości zwiększa rekombinację wewnątrzgatunkową między różnymi szczepami tego samego gatunku”, wyjaśnia Gophna. „Wykazaliśmy również, że niektóre przewlekłe wirusy mogą całkowicie stłumić mechanizm CRISPR-Cas i w ten sposób przetrwać w organizmie gospodarza w nieskończoność, ponieważ nie wytwarza się przeciwko nim pamięć immunologiczna CRISPR”, zauważa Gophna. Wyleczenie halofili(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z chronicznego zakażenia wirusowego doprowadziło do uzyskania szczepu o znacznie poprawionym tempie wzrostu i wyższej wydajności hodowli. „Nasze podejście zostało opatentowane i mamy nadzieję, że otworzy ono nowe rynki dla haloarcheonów w obszarze zielonej biotechnologii”, mówi Gophna.
Badanie innych naturalnych mechanizmów obronnych
Naukowcy będą kontynuować badanie aspektów ewolucyjnych systemów CRISPR-Cas, ze szczególnym uwzględnieniem fascynujących przykładów, w których dwa systemy kodowane przez dwa różne elementy genetyczne mieszczą się w tej samej komórce. Badacze rozszerzyli także zakres prac o dodatkowe systemy obronne. „Badamy nie tylko wpływ wymiany genów między szczepami, ale także rozwój złożoności, czyli proces, w wyniku którego różne komponenty zaczynają ze sobą współpracować i stają się systemem”, dodaje Gophna. „Wykazaliśmy już, że poszczególne komponenty mogą przynosić korzyści gospodarzowi zarówno w systemach CRISPR-Cas, jak i CBASS(odnośnik otworzy się w nowym oknie), ale to dopiero wierzchołek góry lodowej”.
