Technologia edycji genów znana jako CRISPR doprowadziła do rewolucyjnych zmian w rolnictwie, badaniach nad zdrowiem i nie tylko.

W badaniach opublikowanych w Kataliza naturynaukowcy z Florida State University stworzyli pierwsze obrazy poklatkowe o wysokiej rozdzielczości, przedstawiające jony magnezu oddziałujące z enzymem CRISPR-Cas9 podczas przecinania nici DNA, dostarczając wyraźnych dowodów na to, że magnez odgrywa rolę zarówno w zerwaniu wiązań chemicznych, jak i w prawie jednoczesne cięcie DNA.

„Jeśli wycinasz geny, nie chcesz, aby tylko jedna nić DNA została uszkodzona, ponieważ komórka może ją łatwo naprawić bez edycji. Chcesz, aby obie nici zostały zerwane” – powiedział Hong Li, profesor na Wydziale Chemii i Biochemii oraz dyrektor Instytutu Biofizyki Molekularnej. „Potrzebne są dwa cięcia blisko siebie. Magnez odgrywa w tym rolę i dokładnie widzieliśmy, jak to działa”.

CRISPR-Cas9 jest najpowszechniej używanym narzędziem manipulacji genetycznej. Technologia wykorzystuje enzym o zmienionym przeznaczeniu do wiązania się z DNA, umożliwiając zmiany w określonych miejscach genomu.

Naukowcy wiedzieli, że magnez odgrywa rolę w tym procesie, ale nie było jasne, w jaki sposób, a nikomu nie udało się uchwycić z bliska zdjęć tego procesu poklatkowych. Dzięki wykorzystaniu wolniejszej wersji CRISPR-Cas9 badania wykazały, że jony magnezu w centrum reakcji katalizy stanowią klucz do niemal jednoczesnego cięcia.

„Myślę, że w nauce często zdarza się, że nawet jeśli można coś wywnioskować, chciałbyś mieć dowód” – powiedział Li. „Na przykład w przypadku magnezu wszyscy wiedzą, że go potrzebujesz, ale brak zobaczenia go w działaniu nie jest kompletną nauką, prawda? Nie masz takiego samego poziomu zrozumienia jego funkcjonowania”.

Naukowcy wykorzystali mikroskop krioelektronowy z Biological Science Imaging Resource FSU, który może generować obrazy o rozdzielczości niemal atomowej, aby obserwować jony metali i inne atomy pracujące w enzymie CRISPR-Cas9. Umożliwiło im to zebranie danych, które nie tylko potwierdziły ich wcześniejsze hipotezy, ale także doprowadziły do ​​zaskakującego odkrycia dotyczącego sposobu, w jaki magnez koordynuje pęknięcia dwuniciowe.

CRISPR zadebiutował w edycji genów w 2013 roku i od tego czasu naukowcy pracowali nad zwiększeniem jego niezawodności i poszerzeniem możliwości zastosowania w przypadku różnych organizmów i typów komórek.

„Zmieniając miejsca aktywne — zestawy «nożyczek», które przecinają docelowe i niedocelowe nici DNA — możemy wpłynąć na zdolność Cas9 do wykorzystywania alternatywnych metali do cięcia” – powiedział doktorant i współautor artykułu Mitchell Roth. „Wciąż jest wiele do odkrycia dzięki CRISPR”.

Zrozumienie, w jaki sposób każdy pierwiastek wpływa na funkcjonowanie enzymu, daje naukowcom wgląd w to, jakie kierunki badań mogą przynieść nową wiedzę i zastosowania. Li i jej zespół planują dalsze badania, aby sprawdzić, w jaki sposób CRISPR-Cas9 można przerobić do innych celów.

Współautorami tego artykułu byli byli badacze ze stopniem doktora Anuska Das i Jay Rai, doktorant Yuerong Shu, studentka studiów licencjackich Megan L. Medina i była studentka studiów licencjackich Mackenzie R. Barakat, wszyscy z FSU.