На грани научного прорыва: MIT раскрывает новые горизонты CRISPR технологий

Не так давно мы уже писали о значительном прогрессе в методах редактирования генома с помощью системы CRISPR Cas9, которого добились учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Теперь же учёные из Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте (MIT), Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда, а также Национального центра биотехнологической информации (NCBI) при Национальных институтах здравоохранения США разработали инновационный алгоритм поиска, который позволил идентифицировать 188 новых редких систем CRISPR в бактериальных геномах. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Новый алгоритм под названием «Быстрая кластеризация на основе локально-чувствительного хэширования» (Fast Locality-Sensitive Hashing-based clustering, FLSHclust), разработанный лабораторией профессора Фенга Чжана, пионера исследований CRISPR, использует методы кластеризации больших данных для быстрого поиска в огромных объёмах геномных данных.

Исследователи применили этот алгоритм для анализа данных из трёх крупных общедоступных баз данных, содержащих информацию о самых необычных бактериях, в том числе из угольных шахт, пивоварен, озёр Антарктики и даже слюны собак. Учёные обнаружили значительное количество и разнообразие систем CRISPR, включая такие, которые могут редактировать ДНК в человеческих клетках, нацеленные на РНК и многие другие с различными функциями.

Эти системы потенциально могут использоваться для редактирования геномов млекопитающих с меньшим количеством побочных эффектов, чем существующие системы Cas9. В будущем они также могут быть использованы в качестве диагностик или служить молекулярными записями активности внутри клеток.

Исследователи отмечают, что их поиск подчёркивает беспрецедентный уровень разнообразия и гибкости CRISPR и что, вероятно, множество редких систем ещё предстоит обнаружить по мере роста баз данных.

Профессор Чжан, соавтор исследования, подчёркивает важность биоразнообразия и необходимость улучшения инструментов поиска, таких как FLSHclust, для изучения геномных данных. Евгений Викторович Кунин, выдающийся исследователь Национального центра биотехнологической информации, также является соавтором этого исследования.

Алгоритм представляет собой новый шаг в поиске CRISPR, системы бактериальной защиты, которая была адаптирована для редактирования генома и диагностики. Используя метод FLSHclust, команда смогла проанализировать миллиарды последовательностей белков и ДНК в течение нескольких недель, в то время как предыдущие методы занимали месяцы.

В своём анализе исследователи обнаружили несколько новых вариантов известных систем CRISPR типа I с более длинными руководящими РНК, что потенциально позволяет разрабатывать более точные технологии генного редактирования. Команда Чжана продемонстрировала, что две из этих систем могут вносить короткие правки в ДНК человеческих клеток.

Исследователи также обнаружили новые механизмы действия для некоторых систем CRISPR типа IV, а также систему типа VII, точно нацеленную на РНК, которая потенциально может использоваться в её редактировании. Другие системы могут быть использованы в качестве инструментов записи или датчиков конкретной активности в живой клетке.

Алгоритм может помочь в поиске других биохимических систем. «Этот алгоритм поиска может быть использован любым, кто хочет работать с этими большими базами данных для изучения эволюции белков или открытия новых генов», — сообщили учёные.

Исследователи подчёркивают, что их результаты иллюстрируют не только разнообразие систем CRISPR, но и то, что большинство из них редки и встречаются только в необычных бактериях.