Научниците од Институтот „Арк“ го открија механизмот на рекомбиназа, револуционерна алатка која овозможува целосно програмирање на ДНК преку преуредување.

Нивното откритие, опишано во неодамнешниот труд во списанието „Нејчр“, ја претставува првата ДНК рекомбиназа која користи некодирачка РНК за секвенцијална селекција на целните и донаторските молекули на ДНК. Оваа РНК е програмабилна, овозможувајќи му на корисникот да ја специфицира секоја посакувана целна геномска секвенца и која било молекула на донатор на ДНК што треба да ја вметне, пишува „Сајтек дејли“.

Истражувањето е развиено во соработка со лабораториите на Силвана Конерман, главен истражувач на Институтот „Арк“ и вонреден професор по биохемија на Универзитетот Стенфорд и Хироши Нишимасу, професор по структурна биологија на Универзитетот во Токио.

„Мостовиот РНК систем е фундаментално нов механизам за биолошко програмирање. Рекомбинацијата може универзално да го модифицира генетскиот материјал преку специфично вметнување на секвенца, ексцизија, инверзија и многу повеќе, овозможувајќи процесор на жив геном надвор од КРИСПР (CRISPR)“, рекол д-р Патрик Хсу, автор на студијата и главен истражувач на Институтот.

Системот за рекомбинација на мостот потекнува од вметнувачкиот елемент 110 (ИС110), еден од безбројните типови на транспонирани елементи – или „скокачки гени“ – кои се движат во и помеѓу микробиолошките геноми со сечење и залепување. Транспонираните елементи се наоѓаат во сите форми на живот и еволуирале во професионални машини за манипулација со ДНК за да преживеат. ИС110 елементите се многу мали. Тие се состојат само од генот што го кодира ензимот рекомбиназа и придружните ДНК сегменти кои досега останаа мистерија.

Лабораторијата „Хсу“ откри дека кога ИС110 е исфрлен од геномот, некодирачките краеви на ДНК се спојуваат за да произведат молекула на РНК – мост РНК – која се преклопува на две јамки. Едната јамка се врзува за самиот елемент ИС110, додека другата јамка се врзува за целната ДНК каде што ќе се вметне елементот.

Мостовиот РНК е првиот пример на биспецифична водечка молекула, која ја одредува низата и на целната и на донаторската ДНК преку спарување на базите. Секоја мостовна РНК јамка е независно програмабилна, дозволувајќи им на истражувачите да комбинираат која било целна и донаторска ДНК секвенца од интерес. Ова значи дека системот може да оди многу подалеку од својата природна улога да го вметне самиот елемент ИС110, наместо тоа да овозможи вметнување на кој било посакуван генетски товар – како што е функционална копија на оштетен или ген што предизвикува болест – на која било локација во геномот.

Во оваа работа, тимот покажа ефикасност од над 60 отсто за вметнување на саканиот ген, во ешерихија коли со над 94 отсто специфичност за точната локација во геномот.

„Овие програмабилни мостови РНК го разликуваат ИС110 од другите познати рекомбинази, на кои им недостасува РНК компонента и не можат да се програмираат. Како РНК мостот да е универзален адаптер за напојување што го прави ИС110 компатибилен со кој било ‘штекер’“, рекол коавторот Ник Пери, дипломиран студент по биоинженерство во УС Беркли.

Откритието на лабораторијата „Хсу“ беше завршено со нивната соработка со лабораторијата на д-р Хироши Нишимасу на Универзитетот во Токио. Лабораторијата „Нишимасу“ користела криогена електронска микроскопија за да ги одреди молекуларните структури на РНК комплексите на рекомбиназа-мост врзани за целната и донаторската ДНК, секвенцијално напредувајќи низ клучните чекори на процесот на рекомбинација.

Понатамошното истражување и развој на механизмот на мостот ветува дека ќе даде трета генерација на системи водени од РНК, кои се прошируваат надвор од механизмите за сечење ДНК и РНК на интерференцијата ЦРИСПР (CRISPR) и РНК за да понудат уникатен механизам за програмабилно преуредување на ДНК. Од клучно значење за понатамошниот развој на системот за рекомбинација на мостот за дизајн на геном на цицачи, рекомбиназата ги спојува двете ДНК нишки без ослободување на исечени ДНК фрагменти – заобиколувајќи го клучното ограничување на тековните најсовремени технологии за уредување на геномот.

Механизмот за рекомбинација на мостот решава некои од најфундаменталните предизвици со кои се соочуваат другите методи за уредување на геномот. Способноста за програмски преуредување на кои било две ДНК молекули ја отвора вратата за пробив во дизајнот на геномот.