Двухрежимная система CRISPR позволяет одновременно включать и выключать гены

Корейские исследователи преодолели ограничения существующей технологии CRISPR, которая была в основном ориентирована на функцию «выключения», разработав первую в мире инновационную систему, способную одновременно включать и выключать гены. Это открывает новую парадигму для биоиндустрии на основе синтетической биологии.

Совместная исследовательская группа под руководством профессора Джу Ён Ли из KAIST и доктора Мён Хён Но из KRICT разработала новую двухрежимную систему редактирования генов CRISPR, которая может одновременно включать и выключать нужные гены в E. coli. Работа опубликована в журнале Nucleic Acids Research.

E. coli — это репрезентативный микроорганизм, с которым легко экспериментировать и который можно напрямую применять в промышленности. CRISPR считается одним из самых инновационных инструментов биотехнологии XXI века.

Активация генов в бактериях — ключевая технология для проектирования «микробных фабрик», и её промышленная ценность очень высока. Ядро синтетической биологии — проектирование генетических цепей живых организмов, подобно программированию платы, для выполнения нужной функции. Для оптимизации метаболических путей необходима технология, которая может активировать одни гены, подавляя другие.

Существующие «генетические ножницы» CRISPR были в основном специализированы на функции «выключения» (репрессии) и хорошо блокировали экспрессию генов, но их способность включать гены была очень ограничена. Кроме того, для работы CRISPR требуется специфическая последовательность распознавания ДНК (PAM), и узкий диапазон распознавания PAM в существующих системах ограничивал спектр контролируемых генов. Также CRISPR-активация (CRISPRa) была развита в эукариотических клетках, но имела ограничения в бактериях из-за различий в механизмах регуляции транскрипции.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи расширили диапазон мишеней для доступа к большему числу генов и значительно улучшили производительность активации генов, используя белки E. coli. В результате «генетические ножницы», которые ранее были «в основном для выключения», эволюционировали в систему, способную одновременно контролировать и «включение», и «выключение».

Результаты проверки производительности системы были впечатляющими:

• В экспериментах по активации генов уровни экспрессии увеличивались до 4.9 раз.
• В экспериментах по репрессии экспрессию можно было подавить до 83%.
• Система смогла одновременно контролировать два разных гена: активировать один ген в 8.6 раз, одновременно подавляя другой на 90%.

Для демонстрации практичности технологии команда поставила задачу увеличить производство «виолацеина» — фиолетового пигмента с противораковыми свойствами. В результате:

• Производство увеличилось в 2.9 раза при включении гена rluC, который помогает производству белка.
• Производство увеличилось в 3.0 раза при выключении гена ftsA, который помогает делению клеток.
• При одновременном контроле обоих генов наблюдался синергетический эффект, что привело к замечательному увеличению производства в 3.7 раза.

Доктор Мён Хён Но заявил: «Точная активация генов теперь возможна в бактериях. Это внесёт большой вклад в развитие биоиндустрии на основе синтетической биологии».

Профессор Джу Ён Ли отметил: «Эта технология также подтверждена для работы в других видах бактерий и может быть использована в различных областях, таких как производство биопрепаратов, химикатов и топлива». Первым автором исследования является доктор Су Ён Мун.