Система CRISPR-Cas9 дала исследователям возможность точно редактировать выбранные гены. Теперь исследователи использовали его для разработки технологии, которая может нацеливаться на любой ген дрожжей Saccharomyces cerevisiae и отключать его, удаляя отдельные буквы из его последовательности ДНК.
Такая инженерия в масштабе генома - в отличие от традиционных стратегий, нацеленных только на один ген или ограниченное количество генов - позволяет исследователям изучать роль каждого гена по отдельности, а также в сочетании с другими генами. Это также может быть полезно для промышленности, где S. cerevisiae широко используется для производства этанола, промышленных химикатов, смазочных материалов, фармацевтических препаратов и многого другого.
Понимание и оптимизация генома могут создать штаммы дрожжей с повышенной продуктивностью, сказал руководитель исследования Хуймин Чжао, профессор химической и биомолекулярной инженерии Университета Иллинойса и член Института геномной биологии им. Группа И. Чжао опубликовала новые результаты в журнале Nature Biotechnology.
«Мы хотим использовать микроорганизмы в качестве клеточных фабрик для производства ценных химикатов и биотоплива», - сказал Чжао. «Масштаб, который мы продемонстрировали в этом исследовании, беспрецедентен. CRISPR использовался для введения точечных мутаций - например, для борьбы с генетическими заболеваниями - но дрожжи Saccharomyces имеют около 6000 генов, и мы хотим иметь возможность выключить каждый из них. эти гены итеративно и выяснить, как они влияют на производство целевого соединения."
Исследователи производят «нокаутные» дрожжи, в которых один ген был удален или «выбит», чтобы изучить, какой вклад каждый ген вносит в функцию клетки. Когда обнаруживается полезная мутация, они могут селективно разводить дрожжи с этой характеристикой. Ведущие методы получения нокаутных дрожжей вырезают весь целевой ген. По словам Чжао, это создает непреднамеренные проблемы, потому что многие гены перекрывают друг друга. Удаление одного гена также приводит к удалению частей других, влияя на множество функций и затрудняя исследователям по-настоящему изолировать эффекты одного гена.
Каждая буква в последовательности ДНК соответствует основанию, строительным блокам, из которых состоят цепочки ДНК. Группа Чжао использовала точность системы CRISPR-Cas9 для создания техники, позволяющей удалять только одно основание в последовательности ДНК гена. Поскольку клетка «читает» ДНК по три основания за раз, это сдвигает рамку считывания и выбивает ген. Гены, которые перекрываются с отредактированным, остаются неизменными и функциональными.
Мы можем внести всего одно изменение основания на всю хромосому. Это минимально нарушит функцию соседних генов, поэтому мы сможем изучить, насколько важен ген в его клеточном контексте. Такая точность не было достигнуто раньше», - сказал Чжао.
Их метод, названный CRISPR/Cas9 и инженерия в масштабе генома с помощью гомологии, направленной на восстановление, или CHAnGE, имеет преимущества, заключающиеся в том, что он быстрый, эффективный и недорогой, в дополнение к его точности. Группа Чжао разработала библиотеку нокаутных дрожжей, по одной для каждого гена в геноме S. cerevisiae, и сделала ее доступной для других исследователей за плату в размере 50 долларов..
«Раньше группы людей тратили несколько лет, пытаясь выбить каждый ген из дрожжей. С CHAnGE один человек может создать библиотеку дрожжевых мутантов, охватывающую весь геном, примерно за месяц», - Чжао. сказал.
Группа Чжао работает над созданием библиотек для других типов дрожжей, включая те, которые производят липиды, используемые в смазочных материалах, биотопливе и других промышленных применениях.