Sie finden einen Weg, die DNA nach Belieben zu „programmieren“.

Die kürzlich veröffentlichte Entdeckung ‚Natur“, erklärt, dass diese programmierbare „DNA-Brücke“ es Forschern ermöglicht, später jede gewünschte genetische Sequenz und jedes gewünschte DNA-Molekül in ein Genom einzufügen.

„RNA-Bridging – sagt Patrick Hsu, der Hauptautor des Artikels – ist eine neue Methode für die biologische Programmierung. Die Bridging-Rekombination kann genetisches Material durch spezifische Sequenzeinfügung, Exzision, Inversion usw. global verändern und so eine „Textverarbeitung“ für das lebende Genom dahinter ermöglichen CRISPR.

Programmierbare DNA

Die Rekombinationsbrücke stammt von einem Element namens Insertionssequenz 110 (IS110), einem von unzähligen transponierbaren Elementen, die als „springende Gene“ bekannt sind und durch Ausschneiden und Einfügen Positionen innerhalb und zwischen mikrobiellen Genomen ändern. Diese Elemente sind in allen Lebensformen vorhanden und haben sich zu wirklich professionellen DNA-Manipulationsmaschinen entwickelt, die Organismen zum Überleben nutzen. IS110-Elemente sind selten und enthalten ein einzelnes Gen, das für ein Rekombinase-Enzym kodiert, das um eine Sequenz von DNA-Segmenten gruppiert ist, deren Funktion bisher ein Rätsel blieb.

In seinem Labor zeigte Hsu, dass, wenn IS110 aus einem Gen herausgeschnitten wird, die Enden der nichtkodierenden DNA zusammenkommen und ein RNA-Molekül (RNA-Brücke) bilden, das sich in zwei Schleifen faltet. Eine dieser Schleifen bindet an das S110-Element und die andere bindet an die Ziel-DNA, in die sie eingefügt wird. Brücken-RNA ist das erste Beispiel eines bispezifischen Leitmoleküls.

Jede der beiden Schleifen der verbrückenden RNA kann separat programmiert werden, sodass Forscher jede gewünschte DNA-Sequenz mischen und an das Ziel und den Spender anpassen können. Dies bedeutet, dass das System über seine normale Funktion des Einfügens des IS110-Elements hinausgehen und stattdessen dessen Einfügen an einer beliebigen Stelle im Genom zulassen kann, beispielsweise in eine funktionsfähige Kopie eines defekten Gens. In dieser Arbeit demonstrierte das Team die Fähigkeit, mehr als 60 % des gewünschten Gens mit einer Spezifität von über 94 % für die korrekte Genposition in E. coli einzufügen.

„Diese programmierbaren RNA-Brücken – sagt Nick Perry, Mitautor der Studie – unterscheiden IS110 von anderen bekannten Rekombinanten, die keine RNA-Komponente haben und nicht programmiert werden können.“ So wie eine RNA-Brücke ein universeller Stromadapter ist, macht sie IS110 kompatibel mit jeder Steckdose.

Diese Erkenntnis wird durch Arbeiten ergänzt, die im Labor von Hiroshi Nishimasu an der Universität Tokio durchgeführt wurden. Der zweite ist ein Essay über die Natur und bei dem mittels Kryo-Elektronenmikroskopie die molekularen Strukturen der beiden RNA-Schleifen der Rekombinase-Brücke bestimmt wurden.

Den Forschern zufolge verspricht dieser Brückenmechanismus mit weiterer Forschung und Entwicklung den Beginn einer dritten Generation RNA-gesteuerter Systeme zu bedeuten, die über den bekannten „Cut-and-Paste“-Mechanismus der CRISPR-Technik und die sogenannte RNA-Interferenz hinausgehen. (RNAi). Eine programmierbare RNA-Brücke wird erstmals einen integrierten Mechanismus bereitstellen, der es uns ermöglicht, unsere genetische DNA nach Belieben neu anzuordnen.

„Dieser überbrückende Rekombinationsmechanismus löst einige der wichtigsten Herausforderungen, denen andere Methoden zur Genbearbeitung gegenüberstehen“, sagt Co-Autor Matthew Duran. „Die Fähigkeit, zwei DNA-Moleküle programmgesteuert neu anzuordnen, öffnet die Tür zu großen Fortschritten in der Gentechnik.“