پیشرفت‌های کمی دنیای بیوتکنولوژی را تکان داده یا به‌اندازه کشف سامانه‌های CRISPR-Cas سروصدا ایجاد کرده است، پیشرفتی در ویرایش ژن که در سال ۲۰۲۰ با جایزه نوبل شناخته شد.
اما این سامانه‌ها که به‌طور طبیعی در باکتری‌ها وجود دارند محدود هستند، زیرا فقط می‌توانند تغییرات کوچکی در ژن‌ها ایجاد کنند.
در سال‌های اخیر، دانشمندان سیستم متفاوتی را در باکتری‌ها کشف کردند که با توجه به توانایی منحصربه‌فرد آن برای واردکردن ژن‌ها یا بخش‌های کامل DNA در ژنوم، ممکن است به روش‌های قدرتمندتری برای ویرایش ژن منجر شود.
تحقیقات جدید دانشگاه تگزاس در آستین به‌طور چشمگیری تعداد نسخه‌های طبیعی این سیستم را افزایش می‌دهد و به محققان ابزارهای بالقوه جدیدی برای ویرایش ژن در مقیاس بزرگ ارائه می‌دهد.
دانشمندان دیگر خوشه‌هایی از ژن‌ها را شناسایی کرده بودند که از CRISPR برای واردکردن خود به مکان‌های مختلف در ژنوم یک موجود زنده استفاده می‌کنند که ترانسپوزون‌های مرتبط با CRISPR (CASTs) نامیده می‌شوند.
کار قبلی نشان داده است که حداقل برای باکتری‌ها، می‌توان از آن برای افزودن یک ژن کامل یا توالی DNA بزرگ به ژنوم استفاده کرد.
اکنون تیمی به رهبری ایلیا فینکلشتاین و کلاوس ویلکه در UT Austin تعداد CAST های احتمالی را از حدود یک دوجین به نزدیک به ۱۵۰۰ افزایش داده‌اند.
آن‌ها نتایج کار خود را این هفته در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر کردند.
فینکلشتاین، دانشیار علوم زیستی مولکولی که ایده و سرپرستی این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: با CAST ها، ما به‌طور بالقوه می‌توانیم ژن‌های زیادی به نام «کاست ژن» وارد کنیم که عملکردهای پیچیده متعددی را رمزگذاری می‌کند. ازجمله، این امکان را برای درمان بیماری‌های پیچیده مرتبط با بیش از یک ژن ایجاد می‌کند.
بر اساس مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی، محقق CRISPR و برنده جایزه نوبل، جنیفر داودنا، پیش‌بینی کرده است که CAST ها عنصری حیاتی در گسترش مجموعه ابزار مهندسان ژنتیک خواهند بود و امکان ایجاد «هرگونه تغییر، در هر مکان ژنتیکی، در هر ارگانیسم» را در طول یک دهه فراهم می‌کنند.
این گروه با استفاده از ابررایانه Stampede2 در مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس (TACC)، بزرگ‌ترین پایگاه داده جهان از قطعات ژنوم میکروب‌هایی را که هنوز در آزمایشگاه کشت یا توالی یابی کامل نکرده‌اند، بررسی کردند.
ویلکه، استاد و رئیس بخش زیست‌شناسی یکپارچه که بخش مهندسی داده پروژه را رهبری می‌کرد، گفت: بدون منابع TACC، این غیرممکن بود.
او تخمین می‌زند که اگر جستجو بر روی یک کامپیوتر رومیزی قدرتمند اجرا می‌شد، سال‌ها طول می‌کشید، در عوض، با یکی از ابرکامپیوترهای دانشگاه، آنالیز نهایی ظرف چند هفته تکمیل شد.
سه دانشجوی فارغ‌التحصیل (جیمز ریبارسکی، کوانگ هو و الکسیس هیل) تقریباً دو سال تمام‌وقت، روی جنبه‌های مختلف پروژه کارکردند.
فینکلشتاین گفت: اصطلاح این کار اکتشاف زیستی است؛ «مثل غربال کردن مقدار زیادی از گل‌ولای و آشغال بود تا گهگاه قطعه طلا را پیدا کنم.»
گروه UT Austin 1476 CAST فرضی جدید، ازجمله سه خانواده جدید، پیدا کرد که تعداد خانواده‌های شناخته‌شده را دو برابر کرد.
آن‌ها قبلاً چندین مورد از این موارد را به‌صورت آزمایشی تأیید کرده‌اند و قصد دارند آزمایش‌های بیشتری را ادامه دهند.
درنهایت، فینکلشتاین پیش‌بینی می‌کند که اکثراً CAST های واقعی هستند.
ویلکه گفت: اگر تعداد انگشت‌شماری [بازیگر] داشته باشید، بعید است که بهترین‌های موجود را داشته باشید. با داشتن بیش از هزار مورد، می‌توانیم شروع به یافتن آسان‌ترین یا کارآمدترین یا دقیق‌ترین آن‌ها کنیم، امیدواریم که سامانه‌های ویرایش ژن جدیدی وجود داشته باشند که می‌توانند کارها را بهتر از سامانه‌هایی که قبلاً داشتیم انجام دهند.
در کوتاه‌مدت، فینکلشتاین می‌گوید که بسیاری از این سامانه‌های جدید باید با باکتری‌های مهندسی ژنتیک سازگار شوند.
وی همچنین گفت که چالش درازمدت این است که سامانه‌ها را برای کار در سلول‌هایمان «بومی‌سازی» کنیم.
درنهایت فینکلشتاین می‌گوید: هدف نهایی این است که این کار در سلول‌های پستانداران نتیجه دهد.
اطلاعات بیشتر: جیمز آر. ریبارسکی و همکاران، کشف متاژنومیک ترانسپوزون های مرتبط با CRISPR،
مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (۲۰۲۱). DOI: 10.1073/pnas.2112279118
ارائه شده توسط دانشگاه تگزاس در آستین
