Slično ljudima, bakterije i arheje mogu biti napadnuti virusima. Ovi mikroorganizmi su razvili sopstvene strategije imunološke odbrane protiv svojih patogena. Bakterijske odbrane, kao što su CRISPR-Cas sistemi, imaju različite proteine i funkcije koje pomažu bakterijama da se zaštite od stranih napadača.
Odbrana se zasniva na zajedničkom mehanizmu: CRISPR ribonukleinska kiselina (crRNA), koja služi kao „vodeća RNK“, pomaže u otkrivanju regiona stranog genoma, kao što je DNK virusa, za ciljano cepanje. Nukleaza povezana sa CRISPR-om (Cas) kojom upravlja crRNA može da preseče svoju metu poput makaza: strategija prirode koju su ljudi iskoristili u mnogim tehnologijama.
„S obzirom na to koliko su različite nukleaze dobro prevedene u nove i poboljšane tehnologije, svako otkriće u ovoj oblasti moglo bi doneti nove koristi društvu“, kaže Čejs Bejsel, opisujući istraživačku motivaciju svoje laboratorije na Institutu Helmholc u Vircburgu za istraživanje infekcija zasnovanih na RNK. (HIRI). Institut je lokacija Braunšvajg Helmholc centra za istraživanje infekcija u saradnji sa Julius-Makimilians-Universitat (JMU) u Vircburgu.
Beisel je pokrenuo trenutnu studiju o specifičnom skupu CRISPR-Cas sistema sa Metjuom Begemanom sa Benson Hil, Inc. (Misuri) i Rajanom Džeksonom sa Državnog univerziteta Juta u SAD. Rezultati su objavljeni u časopisu Nature i praćeni su detaljnim strukturnim analizu drugog tima, takođe predvođenog Rajanom Džeksonom i Dejvidom Tejlorom sa Univerziteta Teksas.
Jedinstveno od bilo koje druge poznate CRISPR nukleaze
„Istraživali smo CRISPR nukleaze koje su prvobitno bile skupljene sa Cas12a, nukleazama koje brane bakterije tako što prepoznaju i cepaju invazivnu DNK. Kada smo identifikovali više njih, shvatili smo da su dovoljno različite od Cas12a da opravdavaju dublje uronjenje“, kaže Oleg Dmitrenko , prvi autor studije. „Ovo istraživanje nas je navelo da otkrijemo da ove nukleaze, koje smo nazvali Cas12a2, rade nešto sasvim drugačije ne samo od Cas12a već i od bilo koje druge poznate CRISPR nukleaze.“
Ključna razlika je u mehanizmu njihovog odbrambenog delovanja. Kada Cas12a2 prepozna invazivnu RNK, nukleaza je cepa, ali takođe može oštetiti drugu RNK i DNK unutar ćelije, ometajući njen rast i ograničavajući širenje infekcije. „Uopšteno govoreći, takve odbrambene strategije koje prekidaju infekciju poznate su kod bakterija“, kaže postdok HIRI Oleg Dmitrenko. „Nekoliko drugih CRISPR-Cas sistema funkcioniše na ovaj način. Međutim, odbrambeni mehanizam zasnovan na CRISPR-u koji se oslanja na jednu nukleazu da prepozna napadača i degradira ćelijsku DNK i RNK ranije nije primećen“, kaže naučnik.
Proteinska sekvenca i arhitektura Cas12a2 razlikuju ovu nukleazu od Cas12a. Aktiviran protospacer-flanking sekvencom (PFS), Cas12a2 prepoznaje ciljne RNK koje su komplementarne njegovoj RNK vodiču. Ciljanje RNK pokreće kolateralno cepanje nukleinske kiseline koje razgrađuje RNK, jednolančanu DNK i dvolančanu DNK. Ova aktivnost dovodi do zastoja ćelije, verovatno oštećenjem DNK i RNK u ćeliji, što otežava rast. Cas12a2 se može koristiti za molekularnu dijagnostiku i direktnu detekciju RNK biomarkera, kao što je demonstrirano dokazom o principu.
U daljoj strukturnoj analizi nukleaze od strane drugog tima koji je napisao prateći rad u istom broju časopisa Nature, pokazalo se da Cas12a2 prolazi kroz velike strukturne promene nakon vezivanja za svoju RNK metu u različitim fazama imunološkog odgovora. Ovo, zauzvrat, dovodi do otkrivenog rascepa u nukleazi koji može da razbije bilo koju nukleinsku kiselinu na koju naiđe – bilo da je to RNK, jednolančana DNK ili dvolančana DNK. Istraživanje je takođe otkrilo načine da se mutira Cas12a2 da bi se promenila nukleinska kiselina koju nukleaza razgrađuje nakon što prepozna svoju RNK metu. Ove specifičnosti otvaraju potencijalno široke tehnološke primene za budućnost.
