Na MIT so razvili nov način za učinkovito urejanje bakterijskih genomov in programiranje »spominov« v njih z modificiranjem njihove DNK. S tem pristopom se lahko različne informacije trajno shranjujejo in »uporabijo« po potrebi. Odkrije bo v bodočnosti, so prepričali avtorji, omogočilo učinkovito spreminjaje genoma tudi tistih bakterij, ki so del človeškega mikrobioma. Ugotovitve so objavili v strokovni reviji Cell Systems, povezavo pa najdete na koncu teksta.
Desetletja truda za vpliv na najbolj kompleksno molekulo vseh časov
Že desetletja težejo napori najti način, s katerim bi lahko vplivali na najbolj kompleksno molekulo, ki je kdajkoli nastala: DNK. Za vse žive organizme je vitalnega pomena in nosi ključne informacije za vse, kar se v telesu dogaja. Bakterije so za tovrstno preučevanje izjemno hvaležne. Za razliko od virusov se skoraj ne spreminjajo, poleg tega pa so tudi ključne za delovanje človeškega telesa. Dobro znano je, da jih v črevesju živi več kot štiri tisoč vrst, in da njihovi presnovki (nastanejo, ko razgrajujejo hrano) vplivajo na delovanje vseh organov in so ključne za dobro delujoč imunski sistem. Vplivajo tudi na izražanje genov.
HiSCRIBE omogoča selektivno vklapljanje in izklapljanje genov
Nova tehnika zapisovanja DNK, ki jo raziskovalci imenujejo HiSCRIBE, je veliko učinkovitejša od predhodno razvitih sistemov za urejanje DNK v bakterijah. Slednje so imele uspeh le približno 1 na 10.000 celic na generacijo. V novi študiji so raziskovalci pokazali, da bi lahko HiSCRIBE uporabili tudi za modifikacijo celičnega spomina. Omogoča tudi selektivno urejanje, aktiviranje ali utišanje genov pri nekaterih vrstah bakterij, ki živijo v naravni skupnosti, kot je človeški mikrobiom, pravijo raziskovalci.
“Z novim sistemom za zapisovanje DNK lahko natančno in učinkovito urejamo bakterijske genome brez potrebe po kakršni koli obliki selekcije v kompleksnih bakterijskih ekosistemih. To nam omogoča, da izvajamo urejanje genoma in zapis DNK ne glede na to, ali inženirimo bakterije, optimiziramo lastnosti, ki nas zanimajo in situ, ali preučujemo evolucijsko dinamiko in interakcije v bakterijskih populacijah,” pojasnjuje Timothy Lu, izredni profesor za elektrotehniko, računalništvo ter biološki inženiring iz MIT ter višji avtor objave.
Začelo se je z modifikacijo dednega zapisa E. Coli
Lu že nekaj let dela na uporabi DNK za shranjevanje informacij – kot je denimo »spomin« celica na različne dogodke. Skupaj z ekipo je že leta 2014 razvil način za modifikacijo dednega zapisa bakterije E. Coli. Najprej so »izdelali« celice za proizvodnjo encima reverzne transkriptaze, imenovanega retron – ki proizvaja enoverižno DNK (ssDNK), ko je izražen v celicah, in encim rekombinazo, ki lahko vstavi (“napiše”) določeno sekvenco enoverižne DNK v ciljno mesto v genomu. To se zgodile le ob prisotnost določene molekule ali drugi oblik stimulansa – na primer svetlobe. Encim rekombinaza potem vstavi spremenjeno sekvenco DNK v vnaprej programirano mesto, ki je lahko kjer koli v genomu.
Onemogočili obrambne encime, najprej eksonukleaze
Težava te tehnike – raziskovalci so jo poimenovali imenovali SCRIBE, je, da ima relativno nizko učinkovitost. V vsaki generaciji od 10.000 celic E. coli le ena pridobila novo DNK, ki so jo raziskovalci potem poskušali vključiti v celice. To je deloma zato, ker ima bakterija E. coli celične mehanizme, ki preprečujejo kopičenje sekvenc enoverižne DNK in vključitev le-te v genom.
Z novo metodo so učinkovitost povečali tako, da so odpravili nekatere obrambne mehanizme bakterije E. coli proti enoverižni DNK. Najprej so onemogočili encime, imenovane eksonukleaze, ki razgrajujejo enoverižno DNK. Izločili so tudi gene, vključene v sistem, imenovan popravilo neusklajenosti, ki običajno preprečuje integracijo enoverižne DNA v genom. S temi posegi jim je uspelo doseči skoraj univerzalno vključitev genetskih sprememb – v tem primeru so v bakterijo E. Coli uvedli gen za encim, ki razgrajuje galaktozo.
Povezavo do izvirne objave najdete TUKAJ.
