מערכות CRISPR/Cas עברו התקדמות אדירה בעשור האחרון. לכלי עריכת הגנום המדויקים הללו יש יישומים החל מפיתוח גידולים טרנסגניים לריפוי גנטי ומעבר לכך. ועם הפיתוח האחרון של CRISPR-COPIES, חוקרים במרכז לחדשנות ביו-אנרגיה וביולוגית מתקדמת (CABBI) משפרים עוד יותר את הרבגוניות וקלות השימוש של CRISPR.
CRISPR-COPIES הוא כלי שיכול לזהות במהירות אתרי אינטגרציה כרומוזומליים מתאימים להנדסה גנטית בכל אורגניזם. זה יאיץ את העבודה שלנו בהנדסה מטבולית של שמרים שאינם מודלים לייצור חסכוני של כימיקלים וביודלקים".
Huimin Zhao, CABBI Conversion Theme Leader וסטיבן ל. מילר יו"ר הנדסה כימית וביו-מולקולרית (ChBE) באוניברסיטת אילינוי
עריכת גנים חוללה מהפכה ביכולתם של מדענים בהבנת מידע גנטי ובמניפולציה. צורה זו של הנדסה גנטית מאפשרת לחוקרים להכניס תכונות חדשות לאורגניזם, כגון עמידות בפני מזיקים או היכולת לייצר חומר ביוכימי בעל ערך.
עם מערכות CRISPR/Cas, חוקרים יכולים לבצע עריכות גנטיות מדויקות וממוקדות. עם זאת, איתור אתרי אינטגרציה אופטימליים בגנום עבור עריכות אלה הייתה בעיה קריטית ובעיקר לא פתורה. מבחינה היסטורית, כאשר חוקרים היו צריכים לקבוע לאן למקד את העריכות שלהם, הם בדרך כלל היו מבצעים סינון ידני לאתרי אינטגרציה פוטנציאליים, ואז בודקים את האתר על ידי שילוב גן מדווח כדי להעריך את הכושר הסלולרי שלו ואת רמות ביטוי הגנים שלו. זהו תהליך עתיר זמן ומשאבים.
כדי להתמודד עם אתגר זה, צוות CABBI פיתח CRISPR-COPIES, א שיתוףפוטנציאלי פipeline עבור אניזיהוי של CRISPR/Cas-facilitated intהגרציה סItes. כלי זה יכול לזהות אתרי אינטגרציה ניטרליים בכל הגנום עבור רוב הגנום של החיידקים והפטריות תוך שתיים עד שלוש דקות.
"למצוא את אתר האינטגרציה בגנום באופן ידני זה כמו חיפוש מחט בערימת שחת", אמר אאשוטוש בוב, דוקטור ל-ChBE. סטודנט באוניברסיטת אילינוי והמחבר הראשי של המחקר. "עם זאת, עם CRISPR-COPIES, אנו הופכים את ערימת השחת למרחב הניתן לחיפוש, ומאפשרים לחוקרים לאתר ביעילות את כל המחטים שמתאימות לקריטריונים הספציפיים שלהם."
במאמרם שפורסם ב מחקר חומצות גרעיןהחוקרים הדגימו את הרבגוניות ואת יכולת ההרחבה של CRISPR-COPIES על ידי אפיון אתרי אינטגרציה בשלושה מינים מגוונים: Cupriavidus necator, Saccharomyces cerevisiae, ותאי HEK 293T. הם השתמשו באתרי אינטגרציה שנמצאו על ידי CRISPR-COPIES כדי להנדס תאים עם ייצור מוגבר של חומצה 5-aminolevulinic, חומר ביוכימי רב ערך שיש לו יישומים בחקלאות ובתעשיית המזון.
בנוסף, הצוות יצר ממשק אינטרנט ידידותי למשתמש עבור CRISPR-COPIES. יישום נגיש להפליא זה יכול לשמש חוקרים גם ללא מומחיות ביואינפורמטיקה משמעותית.
המטרה העיקרית של CABBI היא הנדסת שמרים שאינם מודלים לייצור כימיקלים ודלקים מביומסה צמחית. הפקה כלכלית של דלקים ביולוגיים ומוצרים ביולוגיים מחומרי הזנה בעלות נמוכה בקנה מידה גדול הוא אתגר, עם זאת, בשל היעדר כלים גנטיים והאופי המסורבל של שיטות עריכת גנום מסורתיות. על ידי מתן אפשרות לחוקרים לאתר במהירות לוקוסים גנומיים לאינטגרציה ממוקדת של גנים, CRISPR-COPIES מספקת צינור יעיל המאפשר זיהוי של אתרי אינטגרציה יציבים ברחבי הגנום. זה גם מבטל את העבודה הידנית הכרוכה בתכנון רכיבים לשילוב DNA בתיווך CRISPR/Cas.
עבור הנדסת גידולים, הכלי יכול לשמש להגדלת תפוקת ביומסה, עמידות למזיקים ו/או חוסן סביבתי. להמרת ביומסה לכימיקלים בעלי ערך -; למשל, על ידי שימוש בשמרים S. cerevisiae -; ניתן להשתמש ב-CRISPR-COPIES להנדסת תאים עם תפוקות גדולות יותר באופן משמעותי.
תוכנה רב-תכליתית זו נועדה לפשט ולהאיץ את תהליך בניית המתח, ולחסוך לחוקרים זמן ומשאבים. חוקרים ברחבי העולם הן באקדמיה והן בתעשייה יכולים להפיק תועלת מהתועלת שלה בהנדסת זנים לייצור ביוכימי ופיתוח יבולים טרנסגניים.
מחברים שותפים במחקר זה כוללים ChBE Ph.D. סטודנט Zhixin Zhu, ChBE מבקר סטודנט Pattarawan Intasian, ודוקטורט ביו-הנדסה. סטודנט Guanhua Xun; מפתחי התוכנה של המכון לביולוגיה גנומית (IGB) מנאן ג'יין ו-וסילי פטרוב במכון קארל ר. מנהל ביציקה של IGB, סטפן ליין; ו-CABBI פוסט דוקטורט Shih-I Tan.
