CRISPR-Cas sistemi su revolucionirali biotehnologiju nudeći načine za uređivanje gena poput para programabilnih makaza. U prirodi, bakterije koriste ove sisteme za borbu protiv smrtonosnih virusa. Nedavna međunarodna saradnja koju je vodio Univerzitet u Kopenhagenu bacila je svetlo na najzagonetnije CRISPR-Cas sisteme; sistem tipa IV. Iako ovi atipični sistemi ne seku gene, njihove jedinstvene funkcije obećavaju u našoj borbi protiv rezistencije na antibiotike.
CRISPR-Cas sistemi su bakterijski adaptivni imuni sistemi koji ciljaju i seku nukleinske kiseline (DNK/RNA) invazivnih genetskih parazita poput bakteriofaga (faga); virusi koji inficiraju – i na kraju ubijaju – bakterijske ćelije. Sastoje se od dve glavne komponente; CRISPR niz, koji čuva imunološku memoriju prošlih virusnih infekcija, i cas gene (kodiraju Cas proteine), odgovorne za koordinaciju različitih faza imunološkog odgovora.
Trenutno postoji šest poznatih tipova CRISPR-Cas sistema, klasifikovanih prema njihovom proteinskom sastavu. Svi tipovi, osim tipa IV, uključuju nukleaze za cepanje DNK/RNA.
CRISPR-Cas sistemi su stekli popularnost kao alati za uređivanje gena, omogućavajući precizne programabilne rezove na određenim genomskim lokacijama – što je na kraju dovelo do dodele Nobelove nagrade za hemiju za 2020. za razvoj ove tehnologije.
„Sistemi tipa IV su čudni rođaci među CRISPR-Cas sistemima, jer im nedostaje modul za prikupljanje imunološke memorije i komponenta za sečenje DNK koja je učinila CRISPR-Cas sisteme tako poznatim. Ove karakteristike i njihova striktna povezanost sa mobilnim kružnim molekulima DNK, koji se nazivaju plazmidi, motivisali su nas da preuzmemo zadatak rešavanja njihove intrigantne uloge i osnovnih molekularnih funkcija“, objašnjava Fabijen Benc, postdoc sa Univerziteta u Kopenhagenu i koautor studije o ovoj temi objavljene u Cell Host & Microbe.
Sa obeležjem CRISPR-Cas-a što je njihova sposobnost da preseku DNK na određenim mestima, sistemi tipa IV funkcionišu na potpuno drugačiji način. Nedostaju im tipične „makaze“ za nukleaze, ali umesto toga imaju DinG helikazu — misteriozni protein koji odmotava DNK.
„Prekretnica u ovoj istrazi došla je kada smo shvatili da sistemi tipa IV ne seku DNK. Umesto toga, otkrili smo da utišavaju ekspresiju gena na svojim ciljnim lokacijama. Ovo je jedinstvena funkcionalnost koja bi mogla da ima važne biotehnološke primene“, kaže Rafael Pinilla -Redondo, docent na Katedri za biologiju i glavni koordinator istraživanja.
Istraživači su postigli još jedan napredak kada su rešili kako ovi sistemi mogu da funkcionišu bez neophodnih komponenti za stvaranje imunološke memorije.
„Sistemi tipa IV mogu da zaobiđu nedostatak modula za akviziciju memorije tako što će otimati kompatibilne module iz drugih CRISPR-Cas sistema prisutnih u bakteriji domaćinu. Ovo je fascinantno jer su ovi drugi sistemi samo u daljini povezani“, objašnjava Sara Kamara-Vilpert, ko- prvi autor ove studije.
Ali o čemu se radi? Pa, ispostavilo se da sistemi tipa IV imaju izraženu tendenciju da prirodno ciljaju plazmide, a ne bakterijske viruse. Važno je da ciljani plazmidi često sadrže više gena otpornosti na antibiotike poput onih koji se nalaze u bolničkim superbakterijama. Procenjuje se da je otpornost na antibiotike direktno odgovorna za preko 1 milion smrtnih slučajeva godišnje zbog neuspeha lečenja.
Inspirisani njihovom prirodnom funkcijom ciljanja plazmida, istraživački timovi su efikasno reprogramirali sistem tipa IV da bi selektivno utišali gene otpornosti koje nosi visokorizična bakterija od hospitalizovanih pacijenata.
„Naši rezultati pokazuju da sistemi tipa IV imaju potencijal kao novo sredstvo za borbu protiv rezistencije na antibiotike, jer smo bili u mogućnosti da ponovo senzibiliziramo važan patogen na antibiotski tretman“, kaže profesor Søren Sørensen, koautor studije.
Ova studija je bila veliki interdisciplinarni napor koji je uključivao sedam međunarodnih istraživačkih grupa iz različitih zemalja. Dok je projekat započeo kao saradnja između samo dve grupe, postepeno je dobijao na zamahu, privlačeći partnere sa raznolikom stručnošću.
„Doživeli smo divan efekat snežne grudve, gde je svaki novi partner pojačao uticaj posla tako što je podelio svoje jedinstvene veštine i pružio ključne uvide u rešavanje misterija koje okružuju sisteme tipa IV. Bio je to zajednički obilazak sile, tačno kako nauka trebalo bi da bude“, napominje Pinilla-Redondo.
