SPARDA: Công nghệ nhắm mục tiêu nucleic acid có thể lập trình giống như CRISPR

Một công cụ mới có khả năng lập trình để nhắm mục tiêu vào nucleic acid đã được tạo ra, sử dụng hệ thống phòng thủ miễn dịch ở sinh vật nhân sơ – và đó không phải là CRISPR-Cas. Các nhà nghiên cứu của Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã tái thiết kế thành công Argonautes prokaryotic (pAgos) để sử dụng các RNA định hướng để xác định trình tự nucleic acid. Các hệ thống này đã được sửa đổi để tạo thành một phức hợp với các nuclease tác động.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một hệ thống hai thành phần được gọi là SPARDA (gồm DNase Argonaute nhân sơ và RNase liên kết) để xác định trình tự DNA một cách hiệu quả với độ nhạy tiềm năng và tạo ra hoạt tính nuclease phụ trợ. SPARDA và các hệ thống pAgos ngắn gọn khác mã hóa các tác nhân đa dạng có tiềm năng cung cấp một công cụ lập trình mới cho lĩnh vực công nghệ sinh học.

Công trình nghiên cứu “Phức hợp Argonautes ngắn nhắm mục tiêu DNA với các protein tác động cho hoạt động nuclease và khả năng miễn dịch của quần thể vi khuẩn” đã được công bố trên tạp chí Nature Microbiology.

Hệ thống phòng vệ thứ cấp của sinh vật nhân sơ

Argonautes là một nhóm các protein phổ biến và có thể được thiết kế để nhận diện các mục tiêu nucleic acid đặc hiệu bằng cách sử dụng các trình tự oligonucleotide ngắn dẫn đường. Argonautes ban đầu được tìm thấy ở sinh vật nhân thực vì chúng có liên quan chủ yếu đến hoạt động can thiệp RNA. Tuy nhiên, các nghiên cứu sâu hơn đã cho thấy sự hiện diện rộng rãi của chúng ở sinh vật nhân sơ.

Tương tự như CRISPR-Cas, pAgos sở hữu các trình tự bổ sung và hoạt tính nuclease của protein pAgo hay Cas để tìm kiếm và phân giải các nucleic acid lạ. Tuy nhiên, không phải tất cả pAgo đều thể hiện chức năng enzyme như nuclease. Do thiếu nghiên cứu về hầu hết các hệ thống pAgo ngắn, nên các cơ chế phân biệt DNA của mục tiêu xâm nhập và tính đa dạng của các vùng tác động vẫn chưa được hiểu rõ.

SPARDA = protein pAgo ngắn + nuclease tác động

Maria Prostova và Anna Kanevskaya, với tư cách là đồng tác giả chính của nghiên cứu, đã thực hiện nghiên cứu với một nhóm các nhà nghiên cứu để kiểm tra các pAgo ngắn có liên quan đến các nuclease tác động tiềm năng. Hai pAgo chưa được khám phá trước đây với các hạt nhân tác động tiềm năng đã được xác định thông qua phân tích phát sinh gen. Họ đã chứng minh rằng pAgo có thể tạo thành một phức hợp dị thể với các nuclease tác động được đồng mã hóa gọi là SPARDA. Giống như CRISPR-Cas, SPARDA có thể được kích hoạt để cắt DNA mạch đơn (ssDNA) hay mạch đôi (dsDNA), RNA mạch đơn (ssRNA) và các cơ chất DNA-RNA.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một kỹ thuật để kích hoạt SPARDA bằng cách sử dụng plasmid hoặc phage. Sự kích hoạt này dẫn đến sự phá vỡ DNA của tế bào dẫn đến chết tế bào bào hoặc bất hoạt. Kết quả là, các nhà nghiên cứu có thể cung cấp sự bảo vệ có mục tiêu cho các quần thể đặc hiệu và mở rộng phạm vi của hệ thống miễn dịch được công nhận ở sinh vật nhân sơ. Tuy nhiên, vẫn cần phải tiến hành nghiên cứu thêm để xác định xem liệu SPARDA được kích hoạt có thể can thiệp vĩnh viễn sự sao chép của phage hay chỉ trì hoãn việc giải phóng phage cho các phage khác nhau.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã sử dụng SPARDA để phát hiện các mục tiêu DNA mạch đơn (ssDNA) bằng cách sử dụng khảo sát tín hiệu huỳnh quang, giúp tăng cường các kỹ thuật dựa trên Cas12- hoặc Cas13 hiện có. Độ nhạy của khảo sát có thể được cải thiện bằng cách kết hợp bước phản ứng chuỗi polymerase (PCR) trước khi phát hiện.

Với phạm vi nhiệt độ sinh lý, hoạt động nền thấp và khả năng nhận biết các môtíp đặc hiệu trong DNA mục tiêu, SPARDA có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ phát hiện nucleic acid in vitro đến loại bỏ theo chương trình các tế bào vi khuẩn hoặc tế bào nhân thực để biến đổi hệ gen vi sinh vật và các liệu pháp.

Nguồn: https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/sparda-a-programmable-nucleic-acid-targeting-technology-like-crispr/