System CRISPR/Cas9

System CRISPR/Cas to naturalny element układu immunologicznego bakterii, który od kilku lat jest z powodzeniem używany do modyfikacji genomu danego organizmu. Jego pierwotna rola polega na kopiowaniu DNA wirusa, który zaatakował komórkę bakteryjną, a następnie wklejeniu skopiowanej sekwencji do genomu bakterii. W ten sposób niektóre bakterie tworzą bibliotekę DNA wirusów, które atakowały dany mikroorganizm. Ta biblioteka jest wykorzystywana w przypadku ponownego ataku wirusa, wtedy system CRISPR/Cas może je rozpoznać i wyeliminować.

TRACE – jak to działa?

Zmodyfikowane bakterie należały do popularnego gatunku E. Coli, które naturalnie zasiedlają ludzkie jelita. Naukowcy zdecydowali się na wykorzystanie właśnie tych bakterii, bo są one dobrze przebadane, a co więcej niegroźne dla człowieka, co jest ważne w przypadku ich dalszych zastosowań. – Takie bakterie, połknięte przez pacjenta, mogą być w stanie rejestrować zmiany, jakich doświadczają w całym przewodzie pokarmowym, uzyskując niespotykany dotąd widok wcześniej niedostępnych zjawisk. – mówi Harris Wang, jeden z autorów tego projektu.

Pierwszym krokiem budowy żyjącego rekordera była modyfikacja plazmidu – cząsteczki pozachromosomalnego DNA – w taki sposób, aby była ona zdolna do multiplikacji w przypadku otrzymania sygnału ze środowiska. Częścią tego systemu jest również drugi plazmid tzw. plazmid nagrywający/referencyjny, który napędza rejestrator oraz koduje składowe systemu CRISPR/Cas.

W przypadku braku sygnału zewnętrznego, jedynie plazmid referencyjny jest aktywny, a komórka dodaje kopie sekwencji referencyjnej do locus CRISPR w swoim genomie. Ten plazmid służy jedynie do określenia tempa rejestrowania zachodzących zmian. W sytuacji, kiedy komórka bakteryjna wykryje sygnał zewnętrzny drugi plazmid również ulega aktywacji, co prowadzi do insercji fragmentu tego plazmidu do genomu. W rezultacie otrzymujemy sekwencje, która zawiera fragmenty pochodzące z plazmidu nagrywającego, które informują nas o czasie w jakim nie zaszło dane zdarzenie oraz sekwencje sygnałowe, które informują o otrzymaniu sygnału ze środowiska.

Locus CRISPR może być następnie poddane badaniu, aby otrzymać informacje o „nagranych” zdarzeniach. Póki co udowodniono, że system ten poradzi sobie z co najmniej trzema sygnałami otrzymanymi pod rząd oraz może nagrywać przez kilka dni.

Co dalej?

Mając pierwsze kroki za sobą naukowcy chcą się teraz skupić na poszukiwaniu markerów, które ulegają zmianie podczas stanu chorobowego, aby zaadaptować je do nowego systemu. Tak zmodyfikowane bakterie byłyby zdolne do wykrywania zmian patologicznych (np. w obrębie układu pokarmowego) w chwili, gdy tylko taka zmiana by się pojawiła. Inne zastosowanie modyfikowanych bakterii może obejmować wykrywanie zmian środowiskowych i podstawowe badania z zakresu ekologii i mikrobiologii, w których bakterie mogą monitorować niewidoczne zmiany bez zakłócania ich otoczenia. Nam nie pozostaje nic innego jak czekać na dalsze modyfikacje i rozbudowywanie tej obiecującej metody.