Человек 2.0: ученые создали инструмент для программирования ДНК

Ученые из Arc Institute разработали механизм под названием «рекомбиназа мостов», который открывает новые возможности для программируемых перестроек ДНК. Этот революционный метод позволяет целенаправленно изменять генетический материал.

В недавней публикации в журнале Nature ученые представили революционное открытие - первую в своем роде ДНК-рекомбиназу, функционирующую с помощью некодирующей РНК. Уникальность этого фермента заключается в его способности использовать РНК для точного выбора целевых и донорских молекул ДНК на основе их последовательности.

Ключевой особенностью этой инновационной системы является ее беспрецедентная программируемость. Исследователи разработали механизм, позволяющий точно настраивать РНК-мост для распознавания любой заданной геномной последовательности-мишени. Более того, система обладает уникальной способностью указывать любую желаемую донорскую молекулу ДНК для вставки в выбранное место с высокой точностью.

Механизм рекомбинации мостов основан на элементах вставки IS110 - особом типе транспозонов, известных как "прыгающие гены". Эти генетические элементы, встречающиеся во всех формах жизни, эволюционировали в высокоэффективные инструменты для манипуляций с ДНК. При вырезании элемента IS110 из генома, некодирующие концы ДНК соединяются, формируя мостовую РНК с уникальной двухпетлевой структурой. Одна петля связывается с элементом IS110, а другая - с целевой ДНК, что делает эту молекулу первой известной направляющей РНК, способной одновременно взаимодействовать как с целевой, так и с донорской ДНК.

Революционность подхода заключается в независимой программируемости каждой петли мостовой РНК. Это позволяет исследователям комбинировать любые последовательности целевой и донорской ДНК, открывая возможности для вставки любых желаемых генетических фрагментов, включая функциональные копии генов, связанных с различными заболеваниями, в любые геномные локусы. Эксперименты показали впечатляющие результаты: более 60% эффективности вставки целевого гена в бактерии E. coli с точностью, превышающей 94%.

Исследование, проведенное в сотрудничестве с лабораторией доктора Хироси Нишимасу из Токийского университета, позволило с помощью криоэлектронной микроскопии детально изучить молекулярные структуры комплекса рекомбиназы и мостовой РНК в связи с целевой и донорской ДНК. Этот механизм рекомбинации мостов может стать основой для третьего поколения систем редактирования генома, управляемых РНК, значительно расширяя возможности генной инженерии.

В отличие от существующих технологий, оставляющих разрезанные фрагменты ДНК, новый механизм соединяет обе нити ДНК без их разрезания, что устраняет ключевые ограничения текущих методов редактирования генома. Это открывает перспективы для более безопасного и точного генетического редактирования.

Дальнейшие исследования и развитие этой технологии могут привести к значительным прорывам в области дизайна геномов и создания биологических программируемых систем, потенциально революционизируя подходы к лечению генетических заболеваний и разработке новых биотехнологических приложений.