CRISPR illustration. Kredit:National Institutes of Health
Multiplext genaktiveringssystem möjliggör fyra till sex gånger aktiveringskapaciteten av nuvarande CRISPR-teknologi, med samtidig aktivering av upp till sju gener samtidigt.
I ny forskning publicerad i Nature Plants , Yiping Qi, docent i växtvetenskap vid University of Maryland (UMD), introducerar ett nytt och förbättrat CRISPR 3.0-system i växter, med fokus på genaktivering istället för traditionell genredigering. Detta tredje generationens CRISPR-system fokuserar på multiplexerad genaktivering, vilket innebär att det kan öka funktionen hos flera gener samtidigt.
Enligt forskarna har detta system fyra till sex gånger aktiveringskapaciteten jämfört med nuvarande toppmoderna CRISPR-teknologi, vilket visar hög noggrannhet och effektivitet i upp till sju gener samtidigt. Även om CRISPR oftare är känt för sina genredigeringsmöjligheter som kan slå ut gener som är oönskade, är aktivering av gener för att få funktionalitet avgörande för att skapa bättre växter och grödor för framtiden.
"Medan mitt labb har producerat system för simultan genredigering [multiplexredigering] tidigare, handlar redigering mest om att generera funktionsbortfall för att förbättra grödan", förklarar Qi. "Men om du tänker på det är den strategin ändlig, eftersom det inte finns oändliga gener som du kan stänga av och faktiskt fortfarande få något värdefullt. Logiskt sett är det ett mycket begränsat sätt att konstruera och föda fram bättre egenskaper, medan växten redan kan ha utvecklats till att ha olika vägar, försvarsmekanismer och egenskaper som bara behöver ett uppsving. Genom aktivering kan du verkligen lyfta vägar eller förbättra befintlig kapacitet, till och med uppnå en ny funktion. Istället för att stänga av saker och ting kan du dra nytta av den funktionalitet som redan finns i arvsmassan och förbättra det du vet är användbart.”
I sin nya artikel validerade Qi och hans team CRISPR 3.0-systemet i ris, tomater och Arabidopsis (den mest populära modellväxtarten, allmänt känd som bergkrasse). Teamet visade att man samtidigt kan aktivera många sorters gener, inklusive snabbare blomning för att påskynda förädlingsprocessen. Men detta är bara en av många fördelar med multiplexad aktivering, säger Qi.
"Att ha en mycket mer strömlinjeformad process för multiplexad aktivering kan ge betydande genombrott. Vi ser till exempel fram emot att använda denna teknik för att screena genomet mer effektivt och effektivt efter gener som kan hjälpa till i kampen mot klimatförändringar och global hunger. Vi kan designa, skräddarsy och spåra genaktivering med detta nya system i större skala för att screena för viktiga gener, och det kommer att vara mycket möjliggörande för upptäckt och translationell vetenskap i växter.”
Eftersom CRISPR vanligtvis betraktas som en "molekylär sax" som kan klippa DNA, använder detta aktiveringssystem inaktiverat CRISPR-Cas9 som bara kan binda. Utan förmågan att skära kan systemet fokusera på att rekrytera aktiveringsproteiner för specifika gener av intresse genom att binda till vissa DNA-segment istället. Qi testade också sin SpRY-variant av CRISPR-Cas9 som avsevärt breddar omfattningen av vad som kan riktas mot aktivering, samt en inaktiverad form av hans senaste CRISPR-Cas12b-system för att visa mångsidighet över CRISPR-system. Detta visar den stora potentialen i att expandera för multiplexad aktivering, vilket kan förändra hur genomteknik fungerar.
"Människor pratar alltid om hur individer har potential om du kan vårda och främja deras naturliga talanger", säger Qi. "Den här tekniken är spännande för mig eftersom vi marknadsför samma sak i växter – hur kan du främja deras potential för att hjälpa växter att göra mer med sina naturliga förmågor? Det är vad multiplexad genaktivering kan göra, och det ger oss så många nya möjligheter för grödaförädling och förbättring.”
Referens:"CRISPR–Act3.0 för högeffektiv multiplexerad genaktivering i växter" av Changtian Pan, Xincheng Wu, Kasey Markel, Aimee A. Malzahn, Neil Kundagrami, Simon Sretenovic, Yingxiao Zhang, Yanhao Cheng, Patrick M. Shih och Yiping Qi, 24 juni 2021, Naturväxter .
DOI:10.1038/s41477-021-00953-7
Detta arbete finansieras av National Science Foundation , Award #1758745 och #2029889.
