Forscher haben Leit-RNAs, die Enzyme steuern, in intelligente RNA umgewandelt, die in der Lage ist, Netzwerke als Reaktion auf verschiedene Signale zu steuern. Ein Forschungsteam bestehend aus Professor Jongmin Kim und den Doktoranden Hansol Kang und Dongwon Park von der Abteilung für Biowissenschaften am POSTECH hat eine Leit-RNA entwickelt, die mehrere Signale verarbeiten kann.
Diese Leit-RNA kann so programmiert werden, dass sie die Genexpression logisch reguliert. Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht In Nukleinsäureforschung.
Das CRISPR/Cas-System, oft auch als „Genschere“ bezeichnet, ist eine Technologie, mit der Gensequenzen bearbeitet werden können, um biologische Funktionen hinzuzufügen oder zu entfernen. Kernstück dieser Technologie, die in mehreren Bereichen wie der Behandlung genetischer Krankheiten und der gentechnischen Veränderung von Nutzpflanzen eingesetzt wird, ist eine Leit-RNA, die das Enzym anweist, die Gensequenz an einer bestimmten Stelle zu bearbeiten.
Fortschritte in der RNA-Technik haben zwar die Forschung an Leit-RNAs vorangetrieben, die auf biologische Signale reagieren. Die präzise Kontrolle von Gennetzwerken über deren Reaktion auf mehrere Signale ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, kombinierte das Team in dieser Studie das CRISPR/Cas-System mit Biocomputing. Biocomputing ist eine Technologie, die biologische Komponenten wie elektronische Schaltkreise verbindet, um zelluläre und organismische Aktivitäten zu programmieren.
Die Forscher implementierten einen Leit-RNA-Genschaltkreis, der Entscheidungen auf der Grundlage von Eingaben treffen kann, ähnlich einem Booleschen Logikgatter, das eine der grundlegenden Darstellungen von Eingabe-Ausgabe-Beziehungen bei digitalisierten Signaloperationen darstellt.
Dem Team gelang es, wichtige Gene zu kontrollieren, die am Stoffwechsel und an der Zellteilung von E. coli beteiligt sind. Damit konnte die Fähigkeit demonstriert werden, mehrere Logikgatter zur Verarbeitung verschiedener Signale und komplexer Eingaben zu kombinieren. Mithilfe dieser Schaltung konnten sie die Zellmorphologie und Stoffwechselflüsse auf der entsprechenden Ebene kontrollieren.
Diese Studie ist von Bedeutung, weil sie bestehende Systeme und Technologien zur präzisen Steuerung von Gennetzwerken integriert und so die Verarbeitung, Integration und Reaktion auf verschiedene Signale innerhalb eines Organismus ermöglicht. Dies geht über die Rolle von Leit-RNAs hinaus, die lediglich Enzyme an bestimmte Orte lenken.
Professor Jongmin Kim von POSTECH erklärte: „Die Forschung könnte die präzise Entwicklung von Gentherapien auf der Grundlage biologischer Signale innerhalb komplexer genetischer Schaltkreise ermöglichen, die an Krankheiten beteiligt sind. Die RNA-Molekulartechnik ermöglicht die Vereinfachung eines softwarebasierten Strukturdesigns, das die Entwicklung personalisierter Behandlungen für Krebs, genetische Störungen, Stoffwechselerkrankungen und mehr erheblich voranbringen wird.“
Mehr Informationen:
Hansol Kang et al., Logische Regulierung der endogenen Genexpression durch programmierbare, Multi-Input-verarbeitende CRISPR-Guide-RNAs, Nukleinsäureforschung (2024). DOI: 10.1093/nar/gkae549