מערכת עריכת גנום 'CRISPR' מהונדסת שפותחה

"CRISPR יכול להיות פשוט כמו חותך, או מתקדם יותר כמו רגולטור, עורך, תווית או דימוי. יישומים רבים צצים מתחום מרגש זה", אמר צ'י, שהוא גם פרופסור לכימיה ומערכות ביולוגיה במערכות בית הספר לרפואה של סטנפורד וחוקר מכון סטנפורד ChEM-H.

אולם מערכות ה- CRISPR הרבות השונות הנמצאות בשימוש או שנבדקות קלינית לטיפול גנטי במחלות בעין, בכבד ובמוח נותרו מוגבלות בהיקפן כיוון שכולן סובלות מאותו פגם: הן גדולות מדי ולכן גם קשה להעביר לתאים, רקמות או אורגניזמים חיים.

בעיתון שפורסם ב -3 בספטמבר תא מולקולרי, צ'י ומשתפי הפעולה שלו מכריזים על מה שהם מאמינים שהוא צעד משמעותי קדימה עבור CRISPR: יעיל, רב תכליתי, מיני מערכת CRISPR. בעוד שמערכות ה- CRISPR הנפוצות-עם שמות כמו Cas9 ו- Cas12a המציינות גרסאות שונות של חלבונים הקשורים ל- CRISPR (Cas)-מורכבות מכ- 1000 עד 1500 חומצות אמינו, ל- "CasMINI" שלהן יש 529.

החוקרים אישרו בניסויים כי CasMINI יכולה למחוק, להפעיל ולערוך קוד גנטי בדיוק כמו עמיתיו החזקים יותר. גודלו הקטן פירושו שיהיה קל יותר להעבירו לתאים אנושיים ולגוף האדם, מה שהופך אותו לכלי פוטנציאלי לטיפול במחלות מגוונות, כולל מחלות עיניים, ניוון איברים ומחלות גנטיות באופן כללי.

מאמץ מתמשך

כדי להפוך את המערכת לקטנה ככל האפשר, החליטו החוקרים להתחיל בחלבון CRISPR Cas12f (הידוע גם בשם Cas14), מכיוון שהיא מכילה כ -400 עד 700 חומצות אמינו בלבד. עם זאת, בדומה לחלבוני CRISPR אחרים, Cas12f מקורו באופן טבעי בארכאה-אורגניזמים חד תאיים-מה שאומר שהוא אינו מתאים היטב לתאי יונקים, שלא לדבר על תאים או גופים אנושיים. ידוע שרק כמה חלבוני CRISPR פועלים בתאי יונקים ללא שינוי. לרוע המזל, CAS12f אינו אחד מהם. זה הופך אותו לאתגר מפתה עבור מהנדסי ביו כמו צ'י.

"חשבנו, 'אוקיי, מיליוני שנות אבולוציה לא הצליחו להפוך את מערכת ה- CRISPR הזו למשהו שמתפקד בגוף האדם. האם נוכל לשנות זאת תוך שנה -שנתיים בלבד?'" אמר צ'י. "למיטב ידיעתי, הפכנו לראשונה CRISPR לתפקוד עובד".

ואכן, שיאשו שו, חוקר פוסט -דוקטורט במעבדת הצ'י ומחבר הראשי של המאמר, לא ראה פעילות של Cas12f הטבעי בתאים אנושיים. שו וצ'י שיערו כי הבעיה היא ש- DNA הגנום האנושי מסובך יותר ונגיש פחות מ- DNA מיקרוביאלי, מה שמקשה על Cas12f למצוא את מטרתו בתאים. על ידי התבוננות במבנה החזוי לחישוב של מערכת Cas12f, היא בחרה בקפידה כ -40 מוטציות בחלבון שעלולות לעקוף מגבלה זו והקימה צינור לבדיקת גרסאות חלבון רבות בכל פעם. גרסה פועלת, בתיאוריה, תהפוך תא אנושי לירוק על ידי הפעלת חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP) בגנום שלו.

"בהתחלה, המערכת הזו לא עבדה כלל במשך שנה", אמר שו. "אבל אחרי חזרות של הנדסה ביולוגית, ראינו כמה חלבונים מהונדסים מתחילים להידלק, כמו קסם. זה גרם לנו להעריך באמת את העוצמה של ביולוגיה סינתטית והנדסה ביולוגית".

התוצאות המוצלחות הראשונות היו צנועות, אך הן ריגשו את שו ועודדו אותה להתקדם כיוון שזה אומר שהמערכת עובדת. לאורך איטרציות רבות נוספות, היא הצליחה לשפר עוד יותר את ביצועי החלבון. "התחלנו לראות רק שני תאים המראים אות ירוק, ועכשיו לאחר ההנדסה, כמעט כל תא ירוק מתחת למיקרוסקופ", אמר שו.

"ברגע כלשהו הייתי חייב לעצור אותה", נזכר צ'י. "אמרתי 'זה טוב בינתיים. יצרת מערכת די טובה. כדאי שנחשוב כיצד ניתן להשתמש במולקולה זו ליישומים'".

בנוסף להנדסת חלבונים, החוקרים גם מהנדסים את ה- RNA המנחה את חלבון ה- Cas אל ה- DNA היעד שלו. שינויים בשני המרכיבים היו חיוניים כדי לגרום למערכת CasMINI לפעול בתאים אנושיים. הם בדקו את יכולתו של CasMINI למחוק ולערוך גנים בתאים אנושיים מבוססי מעבדה, כולל גנים הקשורים לזיהום HIV, תגובה חיסונית אנטי-סרטנית ואנמיה. הוא עבד כמעט על כל גן שהם בדקו, עם תגובות חזקות בכמה.

פותח את הדלת

החוקרים כבר החלו להרכיב שיתופי פעולה עם מדענים אחרים כדי להמשיך בטיפולים גנטיים. הם מעוניינים גם כיצד הם יכולים לתרום להתקדמות בטכנולוגיות RNA-כמו מה ששימש לפיתוח חיסוני mRNA COVID-19-שם גודל יכול גם להיות גורם מגביל.

"היכולת הזו להנדס מערכות אלה הייתה הרצויה בתחום מאז ימיו הראשונים של CRISPR, ואני מרגיש שעשינו את חלקנו כדי להתקדם לעבר המציאות הזו", אמר צ'י. "והגישה ההנדסית הזו יכולה להיות כל כך מועילה. זה מה שמרגש אותי – פתיחת הדלת לאפשרויות חדשות".