CRISPR razveja: Cut, past, on, off in zdaj se razvijajo

CRISPR Explained (Julij 2019).

Anonim

Življenje je presenetljivo raznoliko. Z uporabo antibiotikov za prenehanje okužb ali z uporabo kvasovk za pivo pivo, smo sofinancira koristne izdelke in procese, ki so se razvili naravno. Toda kaj se zgodi, če v naši naravi ne najdemo želene lastnosti?

Znanstveniki na Inovativnem genomističnem inštitutu so izmislili transformativno nov način za izkoriščanje moči evolucije. Danes v naravi raziskovalci, ki jih vodi doktorica znanosti. študent Shakked Halperinworking v laboratorijih David Schaffer in John Dueber na UC Berkeley opisuje še eno ustvarjalno aplikacijo za CRISPR: platformo za spodbujanje razvoja specifičnih genov znotraj celic. Njihov inventivni novi sistem, "EvolvR", omogoča znanstvenikom, da zbrišete črke DNK v svojem izbirnem genu, dokler ne najdejo pravega odstopanja. Tehnologija odpira nešteto možnosti, kot so inženirski kvas, ki učinkovito pretvarjajo odpadke v biogoriva ali razvijajo nove človeške terapije.

Ne samo, da se opijate

Predstavljajte si, da opica sedi na tipkovnici. Če bi dobili neskončno količino časa za naključno tipkanje, bi opica skoraj zagotovo vnesla celotno delo William Shakespeareja. Vsaj to je glede na "neskončno izrek opice". Naravna DNK variacija je podobna temu procesu - s časom se naključne spremembe pojavljajo po genomih različnih posameznih organizmov. V teoriji bo čez neskončen čas obstajala vsaka možna sprememba genetskih črk. Na praktični človeški časovni premici pa se bo kdaj pojavil le majhen del možnih odstopanj.

Zdaj si lahko predstavljamo, da opici lahko povemo, da v Shakespearjevem Macbethu zapisuje samo določeno stran. Omejena na samo to ozko okno, opica bo precej hitreje odprla vsako možno različico besedila strani. To omogoča EvolvR znanstveniki. Hočejo le nove različice enega samega gena, zato je preoblikovanje celotnega genoma nepraktično in verjetno strupeno za žive celice. Z omejevanjem premešanja na samo en gen naenkrat postane mogoče vzorčiti ogromno število sprememb.

Zavrtite stikalo "evolve"

EvolvR omogoča, da znanstveniki v celotnem procesu evolucije potiskajo gen v enem dnevu v laboratoriju. Sistem je zasnovan na programabilnem rezinskem proteinu Cas9, ki EvolvR postane najnovejša genialna naprava v orodjarni CRISPR. Skupina IGI je leže Cas9 v encim, imenovan DNA polimeraza. Cas9 je programiran, da bi našel posebno ciljno zaporedje v DNA organizma. EvolvR uporablja posebno "nicking" različico Cas9, ki samo cuts eno od dveh DNA pramenov. Cas9 naredi nekakšni znak, ki signalizira DNA polimerazo, da obrne nazaj vrvico in jo nadomesti z novo DNA. Polimeraza naredi napake, pisanje v drugačnem zaporedju DNA kot izvirnik, kot pregovorna opica na tipkovnici.

Ker je raznolikost cilj, so "tippingi" polimeraze dobra stvar. Znanstveniki lahko uporabljajo EvolvR za namerno naključne mutacije, ustvarijo milijone različnih zaporednih kombinacij in verjetno najdejo vsaj enega, ki ima učinek, ki ga želijo.

Razvija se usmerjena evolucijska tehnologija

Ta metoda je popolnoma nov način za diverzifikacijo bioloških sistemov, ki odpirajo vrata, ki so ostala zaklenjena s prejšnjimi strategijami. Druge metode se sklicujejo na prisiljevanje velike "knjižnice" naključnih delcev DNK v celice. To je dolgotrajno, draga in vse celice ne bodo zlahka prevzele zunanje DNK. EvolvR gets okoli teh in nekaj drugih pomanjkljivosti prejšnjih pristopov. "Ne potrebuje dvosmernega prekinitev, kot je veliko drugih tehnologij, " ugotavlja Dueber. "Prekinitve z dvojnimi vlakni so strupene za številne celice. Prav tako ne zahtevajo prefinjenih poti popravil, ki jih mnogi zanimivi organizmi nimajo."

Zato mora orodje delovati v katerikoli vrsti, testiranje te ideje pa je eden od naslednjih neposrednih korakov tima. Čeprav je njegovo dokazno podlago v bakterijah, bo vsestranska platforma še bolj močna, če jo uporabljamo v evkariontih, kot so človeške ali rastlinske celice. "EvolvR ima ogromen potencial kot orodje za usmerjen razvoj, ki je neodvisno od vrste, " pravi Schaffer. "Lahko že naredi posamezne mutacije ali kombinacije sprememb v regijah DNA, ki segajo od približno ducata do nekaj sto baznih parov." Dueber dodaja: »Zanima nas, da izdelamo skromno orodje EvolvRs. Predvidevamo sisteme, ki imajo višje stopnje mutacije ali vplivajo na veliko večja okna.«

Halperin opozarja na še eno ključno moč sistema. Predhodne metode za razvijanje lastnosti v laboratoriju vključujejo le nekaj, delno intenzivnih krogov diverzifikacije in izbire. "V preteklih usmerjenih evolucijskih eksperimentih smo se oddaljili od naravne narave. Ker lahko naše orodje nenehno zagotavlja raznolikost v tarčnem genu, se lahko nenehno bogatimo za boljše in boljše lastnosti, bližje naravnemu evolucijskemu procesu." Poskus EvolvR lahko nadaljuje, dokler raziskovalec hoče, prepleta zaporedje genov znova in znova ter ustvarja več priložnosti za uspeh.

Izklopljen na dirke

Obstaja skoraj preveč možnosti za zasnovo spredaj, ekipa za EvolvR pa upa, da bodo drugi znanstveniki vzeli njihovo ustvarjanje in zagnali z njim. "Navdušeni smo nad drugimi ljudmi, ki so se nam pridružili, da uporabimo to orodje in ga izboljšamo, " pravi Halperin. Schaffer želi izkoristiti orodje za "pospešitev razvoja biomolekul za človeške terapevtske aplikacije, od novih zdravil do novih tehnologij za dostavo zdravil".

Raziskovalci so še posebej navdušeni nad združevanjem EvolvR z drugim priljubljenim orodjem CRISPR, visoko zmogljivim preizkušanjem CRISPR-a. To močno združevanje tehnologij bi omogočilo raznolikost na tisoče različnih genov v enem samem poskusu, ki bi potencialno ustvarjal nove funkcije, namesto da bi samo geni vklopili in izklopili.

Ena kapljica bakterij, razvejanih z EvolvR, vsebuje veliko raznolikost. Kateri prelomni potencial se lahko skriva v tej enojni kapljici? Ko je Kahlil Gibran nekoč zapisal: "V eni kapljici vode najdemo vse skrivnosti vseh oceanov." Medtem ko Gibranova poetična vizija ni popolnoma realizirana, se ji hitro približujemo.

Ta študija je bila objavljena v spletni izdaji revije Nature, saj "CRISPR vodene DNA polimeraze omogočajo raznolikost vseh nukleotidov v nastavljivem oknu."

menu
menu