Редактирование генома стало широко распространенной технологией модификации ДНК в клетках, что позволяет ученым изучать заболевания в лабораторных условиях и разрабатывать методы лечения, которые исправляют мутации, вызывающие заболевания. Однако при нынешних подходах возможно редактировать клетки только в одном месте за раз.

Теперь группа ученых из Института Гладстона разработала новый метод, который позволяет им вносить точные изменения в нескольких местах внутри клетки — все одновременно. Используя молекулы, называемые ретронами, они создали инструмент, который может эффективно модифицировать ДНК в бактериях, дрожжах и человеческих клетках .

«Мы хотели расширить границы геномных технологий, разработав инструменты, которые помогут нам изучить истинную сложность биологии и болезней», — говорит научный сотрудник Сет Шипман, доктор философии, старший автор нового исследования , опубликованного в журнале Nature Chemical Biology.

Преодоление ограничений

Шипман является лидером в зарождающейся и быстрорастущей области ретронов, которые являются молекулярными компонентами бактериальной иммунной системы, способными производить большие количества ДНК. В 2022 году, объединив ретроны с редактированием генома CRISPR-Cas9 , его лаборатория стала пионером в создании системы для быстрого и эффективного редактирования человеческих клеток .

В новом исследовании ученые хотели использовать свою систему для преодоления ограничений современных методов редактирования генома.

«Если вы хотели отредактировать клетку в нескольких местах генома, которые не находятся рядом друг с другом, стандартный подход до сих пор заключался в том, чтобы вносить изменения одну за другой», — объясняет Алехандро Гонсалес-Дельгадо, доктор философии, один из первых авторов исследования и научный сотрудник в лаборатории Шипмана. «Это был трудоемкий цикл: сначала вы вносили редактирование, затем использовали отредактированные клетки для внесения другого редактирования и так далее».

Вместо этого команда нашла способ кодировать ретрон, чтобы он мог генерировать различные части ДНК. При доставке в клетку эти сконструированные ретроны, называемые мультитронами, могут выполнять несколько правок одновременно.

Еще одним преимуществом мультитронов является их способность удалять большие участки генома.

«С помощью мультитронов мы можем выполнять последовательные делеции, чтобы вырезать и сжимать средние части нужного нам региона генома , сводя далеко расположенные концы ближе друг к другу до тех пор, пока весь регион не будет полностью удален», — говорит Гонсалес-Дельгадо.

Множество потенциальных применений

В рамках своего исследования Шипман и его команда продемонстрировали непосредственное применение своего нового метода в молекулярной регистрации и метаболической инженерии.

Ретроны, как они ранее показали, могут использоваться для записи молекулярных событий в клетке, обеспечивая подробный журнал активности клетки и изменений в ее среде. С помощью мультитронов исследователи расширили этот подход и теперь могут записывать с большей чувствительностью.

«Мультитроны позволяют нам записывать очень слабые и очень сильные сигналы одновременно, расширяя динамический диапазон наших записей», — говорит Гонсалес-Дельгадо. «В конце концов, мы могли бы представить себе внедрение такого типа инструмента в микробиом кишечника для записи сигнала, например, воспаления».

Что касается метаболической инженерии , ученые показали, что мультитроны могут использоваться для одновременного редактирования нескольких генов в метаболическом пути для быстрого увеличения производства целевого вещества внутри клетки. Они протестировали свой подход на мощном антиоксиданте под названием ликопен и успешно увеличили производство этого соединения в три раза.

«Чтобы начать моделировать сложные генетические заболевания и в конечном итоге найти методы лечения или излечения, нам нужно вносить в клетки много разных мутаций одновременно», — говорит Шипман, который также является доцентом кафедры биоинженерии и терапевтических наук Калифорнийского университета в Сан-Франциско, а также исследователем Chan Zuckerberg Biohub. «Наш новый подход — это шаг к этому».