Ten artykuł jest częścią Future Explored, cotygodniowego przewodnika po technologiach zmieniających świat. Możesz otrzymywać takie historie prosto do swojej skrzynki odbiorczej w każdy czwartek rano przez subskrybując tutaj.

Unikalny system CRISPR, który niszczy zainfekowane komórki, nie przypomina niczego, co naukowcy kiedykolwiek widzieli – i może zrewolucjonizować sposób, w jaki będziemy wykorzystywać potężną technologię edycji genów w przyszłości.

CRISP 101: Chociaż bakterie mogą zarazić ludzi, mogą również być zainfekowany — wirus może wstrzyknąć swoje DNA do komórki bakteryjnej, a następnie użyć komórki jak fabryki wirusów, tworząc coraz więcej kopii samego siebie wewnątrz komórki, aż do jej wybuchu.

Tak jak mamy układ odpornościowy, który chroni nas przed infekcjami, niektóre bakterie mają system obronny zwany CRISPR.

CRISPR pozwala bakteriom zbierać krótkie sekwencje DNA z wirusów, które widziały wcześniej. Po uzyskaniu nowej sekwencji DNA system CRISPR tworzy białka związane z CRISPR (Cas), które zawierają kopie sekwencji zapisanej w RNA.

Istnieje kilka różnych białek Cas, ale tym, o którym wiemy najwięcej, jest Cas9. Po utworzeniu będzie unosił się wokół komórki, czekając, aż cel spróbuje ponownie zainfekować bakterie.

Jeśli tak się stanie, sekwencja RNA w białku Cas9 zwiąże się z pasującą sekwencją w wirusowym DNA i przetnie obie strony swojej podwójnej helisy. Pokrojone wirusowe DNA może następnie zostać zniszczone przez inne białka w bakteriach – zatrzymując infekcję.

„To zjawisko, które wywołuje słyszalne westchnienia u innych naukowców”.

Ryana Jacksona

W 2012 roku naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory opublikowali artykuł pokazujący, że CRISPR można wykorzystać do edycji genomu. Okazało się to szalenie skuteczne, i to nie tylko w przypadku bakterii — jeśli poprawnie zaprogramujesz CRISPR-Cas9, możesz dezaktywować lub usunąć geny w roślinach, zwierzętach, a nawet u ludzi.

Od tego czasu naukowcy używali CRISPR-Cas9 do leczenia chorób, tworzenia zdrowszych upraw i nie tylko. Odkryli również i wykorzystali białka CRISPR poza Cas9, takie jak Cas13, które tną jednoniciowe cząsteczki RNA zamiast dwuniciowych cząsteczek DNA.

Co nowego? Teraz naukowcy z USA i Niemiec opublikowali dwa artykuły opisujące nowe białko CRISPR – Cas12a2 – które, jak twierdzą, bardziej przypomina genetyczny szwajcarski scyzoryk niż parę nożyczek.

„Dzięki temu nowemu systemowi… widzimy strukturę i funkcję niepodobną do niczego, co do tej pory zaobserwowano w systemach CRISPR” – powiedział badacz Ryan Jackson z Utah State University.

Podczas gdy inne systemy CRISPR wiążą się z sekwencją docelową, dokonują cięcia, a następnie zatrzymują, naukowcy nauczyli się za pomocą techniki zwanej „mikroskopią krioelektronową”, że gdy Cas12a2 wiąże się ze swoim celem, wydaje się „aktywować”, zmieniając kształt.

„To niezwykła do zaobserwowania zmiana w strukturze – zjawisko, które wywołuje słyszalne westchnienia u kolegów naukowców” – powiedział Jackson.

Po aktywacji białko może się wiązać każdy materiał genetyczny, który się do niego zbliża, niezależnie od tego, czy jest to jednoniciowy RNA, jednoniciowy DNA czy dwuniciowy DNA. Następnie Cas12a2 zaczyna rozdrabniać materiał, wykonując wiele cięć w przypadkowych miejscach.

Ponieważ materiał genetyczny może należeć do samej bakterii, wynikiem może być śmierć komórki. Zasadniczo CRISPR powoduje samozniszczenie zainfekowanej komórki — zamiast pozwolić jej stać się fabryką wirusów.

„Jest ubogi w tę konkretną komórkę, ale chroni całą kolonię bakterii, aby wirus się przez nią nie rozprzestrzeniał” – powiedział Jackson.

CRISPR a rak: Nowo opublikowane artykuły szczegółowo opisują strukturę i funkcję Cas12a2, ale potrzebne są dalsze badania, aby określić, w jaki sposób możemy wykorzystać ten system dla naszej korzyści.

Jak dotąd dobrą wiadomością jest to, że CRISPR-Cas12a2 wygląda programowalny, co oznacza, że ​​możemy go używać do zabijania pewnych komórek, takich jak te z mutacjami nowotworowymi, pozostawiając zdrowe komórki nietknięte.

„Jeśli Cas12a2 można wykorzystać do identyfikacji, celowania i niszczenia komórek na poziomie genetycznym, potencjalne zastosowania terapeutyczne są znaczące” – powiedział Jackson.

Przyszłość testów: Białko ma również potencjał jako narzędzie diagnostyczne.

W przeszłości naukowcy programowali systemy CRISPR, aby generowały wykrywalne sygnały, gdy wiążą się z określonymi sekwencjami wirusowymi – jeśli ten sygnał jest widoczny po dodaniu technologii CRISPR do próbki śliny, moczu lub innego płynu, naukowcy wiedzą, że zawiera wirusa .

Problem polega na tym, że systemy CRISPR w tych testach niszczą sekwencje wirusowe po związaniu się z nimi, co zmniejsza czułość testów, ale wstawiając mutację do Cas12a2, naukowcy odkryli, że mogą zmusić go tylko do niszczenia pojedynczy– nici DNA po aktywacji.

„Może to prowadzić do powstania naprawdę czułego systemu diagnostycznego”.

Jacek Brawo

Oznacza to, że test wykorzystujący Cas12a2 może wytworzyć sygnał, gdy białko wiąże się z docelową sekwencją wirusa RNA – typu wywołującego grypę, COVID-19, przeziębienie i inne infekcje – bez niszcząc wirusowe RNA, które go aktywowało.

Ponieważ ten RNA nadal będzie tam, aby aktywować inne unoszące się w powietrzu białka CRISPR, sygnał zostanie wzmocniony

„Może to prowadzić do powstania naprawdę czułego systemu diagnostycznego, ponieważ nie wyczerpujemy tego, co próbujemy znaleźć” – powiedział naukowiec Jack Bravo z University of Texas Austin.

Teoretycznie taki test diagnostyczny byłby bardzo dokładny, podobnie jak testy PCR stosowane do wykrywania COVID-19, ale niedrogi i łatwy w użyciu — podobnie jak mniej czułe, ale wygodniejsze testy domowe na COVID-19.

Testy na nowe wirusy RNA można by również łatwo wyprodukować, gdy tylko poznamy ich genomy.

Patrząc w przyszłość: Choć jest to ekscytujące, potrzeba znacznie więcej badań, zanim zaczniemy wykorzystywać potencjalną moc Cas12a2 jako narzędzia diagnostycznego lub terapeutycznego.

„Po prostu drapiemy powierzchnię, ale wierzymy, że Cas12a2 może doprowadzić do ulepszonych i dodatkowych technologii CRISPR, które przyniosą ogromne korzyści społeczeństwu” – powiedział Jackson.

„Dzisiaj nie mamy nowych kontynentów do eksploracji ani innych rzeczy do odkrycia w ten sposób”, dodał, „ale tutaj, w biologii molekularnej, jest to nowa granica i jest to miejsce, w którym można dokonać naprawdę fajnych odkryć. ”

Chcielibyśmy usłyszeć od Ciebie! Jeśli masz komentarz na temat tego artykułu lub masz wskazówkę dotyczącą przyszłej historii Freethink, napisz do nas na adres [email protected].