Ученые воссоздают белки миллиарды лет назад для борьбы с болезнями в клетках человека | Наука и технология

В течение многих лет ученые со всего мира искали микробы во льду. Антарктида, в самых глубоких океанских желобах и в самых агрессивных вулканических средах на планете. Цель состоит в том, чтобы отследить новые белки, которые можно использовать для улучшения методов редактирования генов. Это может открыть дверь в новую эру науки и медицины, когда многие болезни можно лечить, исправляя дефектные геномы пациентов с удивительной легкостью.

Сегодня было опубликовано исследование группы испанских ученых, которые не просто искали новые молекулы в космосе — они искали их во времени. Команде удалось восстановить белки организмов, вымерших миллиарды лет назад.

Исследователи сосредоточились на воссоздании ферментов Cas9 — молекул, которые действуют как ножницы, способные разрезать ДНК любого организма. Это основа системы редактирования генов CRISPR.

CRISPR — это иммунная система многих бактерий и архей. Это позволяет им встраивать генетические последовательности вируса в свой геном, чтобы, если вирус появится снова, CRISPR смог его идентифицировать, а ферменты Cas9 могли врезаться в его геном.

С момента своего появления в 2012 году система редактирования генов CRISPR произвела революцию в биомедицинских исследованиях, позволив переписать инструкции для любого организма. Теперь его начали использовать для лечения некоторых заболеваний у людей. Однако эта система редактирования генов не идеальна: она может привести к потенциально опасным ошибкам в геноме. Поиск более безопасных альтернатив продолжается.

Нерешенным вопросом в области генетики является вопрос о том, как возникла бактериальная иммунная система, намного более старая, чем у человечества. В поисках ответа команда, состоящая из ведущих испанских специалистов по редактированию генов, использовала технологии для реконструкции геномов вымерших существ. Этот метод известен как реконструкция последовательности предков. Он использует мощные компьютеры для сравнения целых геномов организмов, каждый из которых состоит из миллиардов букв ДНК, и оценивает, как выглядели бы геномы их общих предков.

К настоящему времени исследователи добились впечатляющих успехов в восстановлении белков Cas из вымерших микробов. Самый старый из них был обнаружен 2,6 миллиарда лет назад. Они также спасли вымерших простейших от микроорганизмов, живших от 37 миллионов до 1 миллиарда лет назад.

Исследователи создали новые системы CRISPR, используя эти древние белки, и ввели их в клетки человека. Результаты, опубликованные в журнале Nature Microbiology, показывают, что, несмотря на то, что они очень примитивны, все эти древние белки способны модифицировать современную ДНК. клетки человека.

В начале 1990-х годов биолог Фрэнсис Мухика изучал микробов, которые жили во враждебной среде солончаков Санта-Пола в Валенсийском сообществе Испании. Он также проанализировал последовательность ДНК, известную как PAM, которая позволяет микробам различать их геномы и геномы вирусов. Без PAM бактерии могут легко убить себя. Но новое исследование, соавтором которого является Мохика, предполагает, что некоторые из старейших ферментов CAS способны точно разрезать ДНК без необходимости в PAM.

Мохика подчеркивает важность этого открытия для понимания происхождения и эволюции CRISPR:

«Благодаря этому восстановлению мы можем видеть, как иммунная система стала менее вредной для своих носителей микробов и более специфичной для каждого вируса».

Кроме того, «эта работа важна, поскольку она открывает огромный набор инструментов для создания лучших систем CRISPR».

Рауль Перес Хименес, соавтор исследования и научный сотрудник Баскского центра совместных исследований в области нанонауки, также видит в исследовании большой потенциал.

Это самые старые из когда-либо полученных белков Cas. Теперь мы собираемся изучить, как мы можем сделать их такими же эффективными, как нынешние, или даже лучше! «

Более ранние белки могли делать то, чего не может текущий CRISPR, например, одновременно разрезать последовательность двухцепочечной РНК и одноцепочечной последовательности ДНК.

«Они как швейцарские армейские ножи. У них есть ножницы, гаечные ключи, иглы, отвертки… может быть, не самые лучшие инструменты, но у них есть все», — отмечает Перес Хименес.

Реконструкция древних белков открывает возможность разработки новых форм синтетического CRISPR, «которых не существует в природе», — говорит Мигель Анхель Морено Пелайо, заведующий кафедрой генетики в больнице Рамон-и-Кахаль в Мадриде и еще один соавтор работы. его команда разрабатывает метод исправления генетических дефектов у пациентов с БАС.

Соавтор Луис Монтолиу — исследователь Национального центра биотехнологии в Мадриде — подчеркивает еще одну особенность примитивных белков Cas. В отличие от современных белков, они не обнаруживаются иммунной системой человека, а это означает, что они с меньшей вероятностью будут отвергнуты иммунной системой пациентов при использовании в медицинских целях в будущем.

Мигель Анхель Морено Матеос, эксперт по редактированию генов в Андалузском центре биологии развития, отмечает новое исследование:

«Особенно удивительно, что старый Cas9 возрождается [proteins] И проанализировать их деятельность спустя миллиарды лет. Возрожденные Cas9 предлагают новые возможности с большим потенциалом в биотехнологии», хотя, предупреждает он, «необходимы дальнейшие исследования и анализ, чтобы это стало реальностью».