Procesori i gjeneve: Shkencëtarët zbulojnë një mjet të ri për programimin biologjik

Zbulimi i tyre, i përshkruar në një punim të kohëve të fundit në revistën Nature , përfaqëson rekombinazën e parë të ADN-së që përdor ARN-në jo-koduese për përzgjedhjen sekuenciale të molekulave të ADN-së objektiv dhe donator. Kjo ARN është e programueshme, duke i lejuar përdoruesit të specifikojë çdo sekuencë gjenomike të synuar dhe çdo molekulë dhuruese të ADN-së për të futur, raporton Scitech Daily.

Hulumtimi u zhvillua në bashkëpunim me laboratorët e Silvana Connerman , hetuese kryesore e Institutit Ark dhe Profesor i Asociuar i Biokimisë në Universitetin e Stanfordit dhe Hiroshi Nishimasu , Profesor i Biologjisë Strukturore në Universitetin e Tokios.

“Sistemi i ARN-së së urës është një mekanizëm thelbësisht i ri për programimin biologjik. “Rikombinimi mund të modifikojë në mënyrë universale materialin gjenetik përmes futjes, heqjes, përmbysjes dhe më shumë sekuencë specifike, duke mundësuar një procesor të gjallë të gjenomit përtej CRISPR”, tha Dr. Patrick Hsu, autor i studimit dhe hetues kryesor në Institutin.

Sistemi i rikombinimit të urës e ka origjinën nga elementi insertues 110 (IS110), një nga llojet e panumërta të elementeve të transpozueshme – ose “gjenet kërcyese” – që lëvizin brenda dhe ndërmjet gjenomeve mikrobike duke prerë dhe ngjitur. Elementet e transpozueshme gjenden në të gjitha format e jetës dhe kanë evoluar në makina profesionale të manipulimit të ADN-së për të mbijetuar. Elementet IS110 janë shumë të vogla. Ato përbëhen vetëm nga gjeni që kodon enzimën e rekombinazës dhe segmentet shoqëruese të ADN-së që deri tani kanë mbetur mister.

Laboratori Hsu zbuloi se kur IS110 eliminohet nga gjenomi, skajet jo-koduese të ADN-së bashkohen për të prodhuar një molekulë ARN – ARN urë – që paloset në dy sythe. Një lak lidhet me vetë elementin IS110, ndërsa cikli tjetër lidhet me ADN-në e synuar ku elementi do të futet.

ARN-ja e urës është shembulli i parë i një molekule udhëzuese bispecifike, e cila përcakton sekuencën e ADN-së së synuar dhe të donatorit përmes çiftimit të bazave. Çdo unazë ARN urë është e programueshme në mënyrë të pavarur, duke i lejuar studiuesit të kombinojnë çdo sekuencë të ADN-së së synuar dhe donatorëve me interes. Kjo do të thotë që sistemi mund të shkojë përtej rolit të tij natyror për të futur vetë elementin IS110, në vend të kësaj duke mundësuar futjen e çdo ngarkese gjenetike të dëshiruar – siç është një kopje funksionale e një gjeni të dëmtuar ose që shkakton sëmundje – në çdo vend në gjenom.

Në këtë punë, ekipi demonstroi një efikasitet prej mbi 60 përqind për futjen e gjenit të dëshiruar, në Escherichia coli me mbi 94 përqind specifikë për vendndodhjen e saktë në gjenom.

“Këto ura të programueshme të ARN-së dallojnë IS110 nga rekombinazat e tjera të njohura, të cilave u mungon një komponent ARN dhe nuk mund të programohen.” “Duket sikur ura e ARN-së të jetë një përshtatës universal i energjisë që e bën IS110 të përputhshëm me çdo ‘prizë'”, tha bashkëautori Nick Perry, një student i diplomuar në bioinxhinieri në UC Berkeley.

Zbulimi i laboratorit Hsu u përfundua nga bashkëpunimi i tyre me laboratorin e Dr. Hiroshi Nishimasu në Universitetin e Tokios. Laboratori Nishimasu përdori mikroskop elektronik kriogjenik për të përcaktuar strukturat molekulare të komplekseve të ARN-së të urës së rekombinazës, të lidhura me objektivin dhe ADN-në e donatorëve, duke përparuar në mënyrë sekuenciale përmes hapave kyç të procesit të rikombinimit.

Hulumtimi dhe zhvillimi i mëtejshëm i mekanizmit të urës premton të japë një gjeneratë të tretë të sistemeve të drejtuara nga ARN që zgjerohen përtej mekanizmave të ndërhyrjes CRISPR dhe ARN për të ofruar një mekanizëm unik për rirregullimin e programueshëm të ADN-së. Kritike për zhvillimin e mëtejshëm të sistemit të rikombinimit të urës për dizajnin e gjenomit të gjitarëve, rekombinaza bashkon dy fijet e ADN-së pa lëshuar fragmente të prera të ADN-së – duke anashkaluar një kufizim kyç të teknologjive moderne të redaktimit të gjenomit.

Mekanizmi i rikombinimit të urës zgjidh disa nga sfidat më themelore me të cilat përballen metodat e tjera të redaktimit të gjenomit. Aftësia për të riorganizuar në mënyrë programore çdo dy molekulë të ADN-së hap derën për një përparim në hartimin e gjenomit.