محققان یک سیستم ویرایش ژنوم CRISPR مهندسی شده ایجاد کردند.

CRISPR نوعی سیستم ایمنی تطابق پذیر در باکتری‌ها است که آن‌ها را قادر به کشف دی‌ان‌ای ویروس و بعد نابودیشان می‌کند. بخشی از سیستم کریسپر، پروتئینی به نام کَس۹ (Cas9) است، که قابلیت جستجو، برش زدن و سرانجام تغییر حالت دادن دی‌ان‌ای ویروس را به روشی خاص دارد. فناوری کریسپر به دانشمندان اجازه می‌دهد، تغییراتی در دی‌ان‌ای سلول‌ها ایجاد کنند.

قیاس رایج برای ویرایش ژن CRISPR این است که مانند قیچی مولکولی عمل میکند و بخشهای خاصی از DNA را قطع میکند.

CRISPR میتواند به سادگی یک دستگاه برش یا پیشرفته‌تر به عنوان تنظیم کننده، ویرایشگر، برچسب زن یا تصویر ساز باشد. بسیاری از برنامه‌های کاربردی از این زمینه هیجان انگیز پدیدار میشوند. بسیاری از سیستم‌های مختلف CRISPR که برای ژن درمانی بیماری‌های چشم، کبد و مغز مورد استفاده قرار میگیرند یا مورد آزمایش بالینی قرار گرفته‌اند، با این حال، محدوده آنها محدود است زیرا همه آنها از یک نقص رنج میبرند: آنها بسیار بزرگ هستند و بنابراین به سختی وارد سلولها، بافت‌ها یا موجودات زنده میشود.

در مقاله‌ای که 3 سپتامبر در Molecular Cell منتشر شد، Qi و همکارانش آنچه را که گمان میکنند گامی مهم برای CRISPR است، اعلام کردند: یک سیستم موثر CRISPR چند منظوره. در حالی که سیستم‌های متداول CRISPR-با نام‌هایی مانند Cas9 و Cas12a که نسخه‌های مختلف پروتئین‌های مرتبط با CRISPR (Cas) را نشان میدهند از حدود 1000 تا 1500 اسید آمینه ساخته شده‌اند، “CasMINI” آنها 529 اسید آمینه دارد.

محققان در آزمایش‌های خود تأیید کردند که CasMINI میتواند کد ژنتیکی را حذف کرده، فعال و ویرایش کند درست مانند نمونه‌های قوی‌تر آن. اندازه کوچکتر آن بدین معناست که انتقال آن به سلول‌های انسان و بدن انسان آسان‌تر است، و آن را به ابزاری بالقوه برای درمان بیماری‌های مختلف، از جمله بیماری‌های چشمی، تخریب اندام‌ها و بیماری‌های ژنتیکی به طور کلی تبدیل میکند.

برای کوچک کردن هرچه بیشتر این سیستم، محققان تصمیم گرفتند از پروتئین CRISPR Cas12f (که به Cas14 نیز معروف است) استفاده کنند، زیرا حاوی حدود 400 تا 700 اسید آمینه است. با این حال، مانند دیگر پروتئین‌های CRISPR ، Cas12f به طور طبیعی از Archaea(قلمرو  موجودات تک سلولی را تشکیل می دهند. این میکروارگانیسم ها فاقد هسته سلولی هستند و بنابراین پروکاریوت هستند.) سرچشمه میگیرد، به این معنی که برای سلول‌های پستانداران مناسب نیست، چه برسد به سلول‌ها یا بدن انسان. تنها چند پروتئین CRISPR شناخته شده است که بدون تغییر در سلول‌های پستانداران کار میکند. متأسفانه CAS12f یکی از آنها نیست. این امر آن را به چالشی فریبنده برای مهندسان زیستی مانند Qi تبدیل میکند.

یکی از محققان گفت: ما فکر میکردیم، میلیون‌ها سال تکامل نتوانسته است این سیستم CRISPR را به چیزی تبدیل کند که در بدن انسان عمل میکند. آیا میتوانیم آن را فقط در یکی دو سال تغییر دهیم؟ تا آنجا که من میدانم، ما برای اولین بار یک CRISPR غیر کاری را به یک کارگر تبدیل کردیم.

در واقع، Xiaoshu Xu ، محقق فوق دکتری در آزمایشگاه Qi و نویسنده اصلی مقاله، هیچ فعالیتی از Cas12f طبیعی را در سلول‌های انسانی مشاهده نکرد. Xu و Qi فرض کردند که مسئله این است که DNA ژنوم انسان پیچیده تر و کمتر در دسترس است تا DNA میکروبی، و این امر باعث می شود که Cas12f هدف خود را در سلول ها پیدا نکند. با مشاهده ساختار پیش بینی شده سیستم Cas12f ، او با دقت حدود 40 جهش در پروتئین را انتخاب کرد که به طور بالقوه میتواند این محدودیت را دور بزند و یک خط لوله برای آزمایش انواع پروتئین در یک زمان ایجاد کرد. یک نوع فعال، از نظر تئوری، سلول انسان را با فعال کردن پروتئین فلورسنت سبز (GFP) در ژنوم آن سبز میکند.

Xu گفت: در ابتدا، این سیستم به مدت یک سال اصلاً کار نمیکرد. اما پس از تکرار مهندسی زیستی، شاهد بودیم که برخی از پروتئین‌های مهندسی شده مانند جادو شروع به روشن شدن میکنند. این امر باعث شد ما واقعاً از قدرت زیست شناسی مصنوعی و مهندسی زیستی قدردانی کنیم.

اولین نتایج موفقیت آمیز اندک بود، اما آنها Xu را هیجان زده و تشویق کردند که به جلو حرکت کند زیرا این بدان معناست که سیستم کار میکند. در بسیاری از تکرارهای اضافی، او توانست عملکرد پروتئین را بیشتر بهبود بخشد.این محقق همچنین گفت: ما با دیدن تنها دو سلول که سیگنال سبز نشان میدهند شروع کردیم و اکنون پس از مهندسی، تقریباً هر سلول زیر میکروسکوپ سبز است.

این در حال حاضر خوب است. ما یک سیستم بسیار خوب ساخته‌ایم. ما باید در مورد نحوه استفاده از این مولکول برای برنامه‌های کاربردی فکر کنیم.

علاوه بر مهندسی پروتئین، محققان RNA را نیز طراحی کردند که پروتئین Cas را به DNA هدف خود هدایت میکند. اصلاحات در هر دو جزء برای کارکردن سیستم CasMINI در سلولهای انسانی بسیار مهم بود. آنها توانایی CasMINI را برای حذف و ویرایش ژنها در سلولهای انسانی آزمایشگاهی از جمله ژنهای مربوط به عفونت HIV ، پاسخ ایمنی ضد تومور و کم خونی مورد آزمایش قرار دادند. تقریباً بر روی هر ژنی که آنها آزمایش کردند، کار میکرد و در چندین مورد شاهد پاسخهای قوی بودند.

محققان در حال حاضر همکاری با سایر دانشمندان را برای پیگیری درمانهای ژنی آغاز کرده‌اند. آنها همچنین علاقه مند هستند که چگونه میتوانند در پیشرفت فن آوری‌های RNA-مانند آنچه برای تولید واکسن‌های mRNA COVID-19 استفاده شده است-نقش داشته باشند، جایی که اندازه نیز میتواند یک عامل محدود کننده باشد.

یکی از محققان گفت: این توانایی برای مهندسی این سیستم‌ها از همان روزهای اولیه CRISPR در این زمینه مورد نیاز بوده است، و من احساس میکنم که ما سهم خود را برای حرکت به سمت این واقعیت انجام داده‌ایم، و این رویکرد مهندسی میتواند بسیار مفید باشد. این چیزی است که من را هیجان زده میکند در را به روی امکانات جدید باز میکنم!

مترجم: غزل زارعی

منبع