De genbewerkingstechnologie die bekend staat als CRISPR heeft geleid tot revolutionaire veranderingen in de landbouw, gezondheidsonderzoek en meer.

Uit onderzoek gepubliceerd in Nature Catalysis hebben wetenschappers van de Florida State University de eerste time-lapse-beelden met hoge resolutie gemaakt die laten zien dat magnesiumionen interageren met het CRISPR-Cas9-enzym terwijl het DNA-strengen doorsnijdt. Dit levert duidelijk bewijs dat magnesium een ​​rol speelt bij zowel het verbreken van chemische bindingen als bij het bijna-verbreken van DNA-strengen. gelijktijdig DNA-snijden.

"Als je genen knipt, wil je niet dat er maar één DNA-streng kapot gaat, omdat de cel deze gemakkelijk kan repareren zonder aanpassingen. Je wilt dat beide strengen kapot gaan", zegt Hong Li, hoogleraar aan de afdeling Scheikunde. en Biochemie en directeur van het Instituut voor Moleculaire Biofysica. "Je hebt twee sneden nodig die dicht bij elkaar vuren. Magnesium speelt daarin een rol en wij hebben precies gezien hoe dat werkt."

CRISPR-Cas9 is het meest gebruikte hulpmiddel voor genetische manipulatie. De technologie maakt gebruik van een hergebruikt enzym om zich aan DNA te binden, waardoor veranderingen op specifieke locaties in een genoom mogelijk zijn.

Wetenschappers weten dat magnesium een ​​rol speelt in dit proces, maar het was onduidelijk hoe precies, en niemand was erin geslaagd om time-lapse beelden van het proces van dichtbij vast te leggen. Door gebruik te maken van een langzamere versie van CRISPR-Cas9 heeft dit onderzoek aangetoond dat magnesiumionen in het centrum van de katalysereactie een sleutel vormen tot het vrijwel gelijktijdige snijden.

"Ik denk dat je in de wetenschap vaak, ook al kun je iets afleiden, het bewijs graag zou willen," zei Li. "Bij magnesium weet iedereen bijvoorbeeld dat je het nodig hebt, maar als je het niet in actie ziet, is dat geen volledige wetenschap, toch? Je hebt niet hetzelfde niveau van begrip van hoe het werkt."

De onderzoekers gebruikten de cryo-elektronenmicroscoop van FSU's Biological Science Imaging Resource, die beelden kan produceren met een bijna atomaire resolutie, om metaalionen en andere atomen aan het werk te observeren binnen het CRISPR-Cas9-enzym. Hierdoor konden ze gegevens verzamelen die niet alleen hun eerdere hypothesen bevestigden, maar ook leidden tot de verrassende ontdekking over hoe magnesium dubbelstrengige breuken coördineert.

CRISPR maakte zijn debuut op het gebied van genbewerking in 2013, en sindsdien hebben wetenschappers gewerkt aan het vergroten van de betrouwbaarheid ervan en het uitbreiden van de toepasbaarheid ervan op een verscheidenheid aan diverse organismen en celtypen.

"Door de actieve sites te veranderen - de sets van 'scharen' die doel- en niet-doel-DNA-strengen doorknippen - kunnen we het vermogen van Cas9 beïnvloeden om alternatieve metalen te gebruiken voor het knippen", zegt promovendus en co-auteur van het artikel Mitchell Roth. "Er valt nog veel te ontdekken met CRISPR."

Door te begrijpen hoe elk element de werking van het enzym beïnvloedt, krijgen wetenschappers inzicht in welke onderzoeksmogelijkheden nieuwe kennis en toepassingen kunnen opleveren. Li en haar team plannen verder onderzoek om te onderzoeken hoe CRISPR-Cas9 kan worden aangepast voor andere doeleinden.

Co-auteurs van dit artikel waren voormalige postdoctorale onderzoekers Anuska Das en Jay Rai, promovendus Yuerong Shu, student Megan L. Medina en voormalig student Mackenzie R. Barakat, allemaal van FSU.

Meer informatie: Anuska Das et al, Gekoppelde katalytische toestanden en de rol van metaalcoördinatie in Cas9, Natuurkatalyse (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01031-1

Journaalinformatie: Natuurkatalyse

Aangeboden door Florida State University