In einer neuen Studie charakterisieren Forscher der North Carolina State University eine Reihe von molekularen Werkzeugen, um große Teile der DNA eines Organismus umzuschreiben – nicht nur zu bearbeiten – basierend auf CRISPR-Cas-Systemen, die mit egoistischen genetischen „Hitchhikern“ namens Transposons in Verbindung gebracht werden.
Die Forscher untersuchen verschiedene CRISPR-Cas-Systeme vom Typ IF und konstruieren sie, um genetische Fracht – bis zu 10.000 zusätzliche genetische Codebuchstaben – zur Fracht des Transposons hinzuzufügen, um gewünschte Änderungen an einem Bakterium vorzunehmen – in diesem Fall E. coli. Das Papier erscheint in Nukleinsäureforschung.
Die Ergebnisse erweitern die CRISPR-Toolbox und könnten erhebliche Auswirkungen auf die Manipulation von Bakterien und anderen Organismen in einer Zeit haben, in der eine flexible Genombearbeitung in Therapeutika, Biotechnologie und einer nachhaltigeren und effizienteren Landwirtschaft erforderlich ist.
Bakterien verwenden CRISPR-Cas als adaptives Immunsystem, um Angriffen von Feinden wie Viren zu widerstehen. Diese Systeme wurden von Wissenschaftlern angepasst, um spezifische genetische Codesequenzen in einer Vielzahl von Organismen zu entfernen oder zu schneiden und zu ersetzen. Die neue Erkenntnis zeigt, dass exponentiell größere Mengen an genetischem Code verschoben oder hinzugefügt werden können, was die Funktionalität von CRISPR möglicherweise erhöht.
„In der Natur haben Transposons CRISPR-Systeme kooptiert, um sich selbstsüchtig im Genom eines Organismus zu bewegen, um sich selbst zu helfen, zu überleben. Wir wiederum kooptieren, was in der Natur vorkommt, indem wir in Transposons ein programmierbares CRISPR-Cas-System integrieren, das sich bewegen kann genetische Fracht, die wir entwerfen, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen“, sagte Rodolphe Barrangou, Todd R. Klaenhammer Distinguished Professor of Food, Bioprocessing and Nutrition Sciences am NC State und korrespondierender Autor eines Artikels, der die Forschung beschreibt.
„Mit dieser Methode haben wir gezeigt, dass wir Genome konstruieren können, indem wir DNA-Stücke bis zu 10.000 Buchstaben verschieben“, sagte Barrangou. „Die Natur tut dies bereits – die bioinformatischen Daten zeigen Beispiele von bis zu 100.000 genetischen Buchstaben, die von transposonbasierten CRISPR-Systemen bewegt werden – aber jetzt können wir sie mithilfe dieses Systems kontrollieren und manipulieren.
„Um die Analogie zum Trampen zu vervollständigen, konstruieren wir den Tramper so, dass er bestimmtes Gepäck oder Fracht in das Auto bringt, um eine Art Nutzlast zu liefern, wenn das Auto an seinem Ziel ankommt.“
Die Studie zeigt den Forschern den Nachweis der Wirksamkeit der Methode sowohl in vitro auf dem Labortisch als auch in vivo in E. coli. Die Forscher wählten 10 verschiedene CRISPR-assoziierte Transposons aus, um die Wirksamkeit der Methode zu testen. Der Ansatz funktionierte mit allen 10 Transposons, obwohl sie je nach Faktoren wie Temperatur und der Größe der Frachtladung des Transposons unterschiedlich effektiv waren.
„Es war aufregend festzustellen, dass alle von uns getesteten Systeme funktionsfähig waren, nachdem wir sie aus ihren nativen biologischen Formen in Werkzeuge zur Genombearbeitung rekonstruiert hatten“, sagte Avery Roberts, eine Doktorandin der NC State und Erstautorin der Studie. „Wir haben neue Funktionen dieser Systeme entdeckt, aber es werden wahrscheinlich noch viele weitere relevante Erkenntnisse und Anwendungen hinzukommen, da sich das Gebiet in rasantem Tempo entwickelt.“
Die Forschung zeigte auch, dass die Methode mit verschiedenen Transposons gleichzeitig verwendet werden kann.
„Anstelle nur eines Gens – wie es bei anderen CRISPR-Systemen wie dem bekannteren Typ-II-Cas-9-System der Fall ist – können wir einen ganzen Stoffwechselweg einbringen, um eine ganze Reihe neuer Funktionen in einen Organismus einzubauen“, sagte Barrangou. „Das könnte in Zukunft beispielsweise bedeuten, Pflanzen eine flexiblere Krankheitsresistenz oder Dürreresistenz zu verleihen.“
„Wir sind begeistert von diesen Ergebnissen und sehen das Potenzial für die Anwendung dieser neu entdeckten Systeme in Kulturpflanzen, um die Entwicklung widerstandsfähigerer, ertragreicherer Sorten zu beschleunigen“, sagte Gusui Wu, globaler Leiter der Saatgutforschung bei Syngenta Seeds.
Barrangou und Wu fügen hinzu, dass die Arbeit in dieser Studie ein großartiges Beispiel für öffentlich-private Partnerschaften ist, die wissenschaftliche Entdeckungen vorantreiben und die Arbeitskräfte von morgen ausbilden.
Zu den Co-Autoren des Artikels gehören die NC State Graduate Studentin Avery Roberts und der ehemalige NC State Ph.D. Schüler Matthew Nethery.
Mehr Informationen:
Avery Roberts et al, Funktionelle Charakterisierung verschiedener Typ-IF-CRISPR-assoziierter Transposons, Nukleinsäureforschung (2022). DOI: 10.1093/nar/gkac985