Các hệ thống CRISPR/Cas đã có những tiến bộ vượt bậc trong thập kỷ qua. Những công cụ chỉnh sửa bộ gen chính xác này có nhiều ứng dụng từ phát triển cây trồng chuyển gen đến liệu pháp gen và hơn thế nữa. Và với sự phát triển gần đây của CRISPR-COPIES, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Đổi mới Năng lượng Sinh học và Sản phẩm Sinh học Tiên tiến (CABBI) đang cải thiện hơn nữa tính linh hoạt và dễ sử dụng của CRISPR.
Huimin Zhao (trưởng nhóm Chuyển đổi CABBI) và Steven L. Miller (chủ tịch Kỹ thuật Hóa học và Phân tử sinh học (ChBE) của tại Đại học Illinois) cho biết: “CRISPR-COPIES là một công cụ có thể nhanh chóng xác định các vị trí gắn phù hợp trên nhiễm sắc thể cho kỹ thuật di truyền ở bất kỳ sinh vật nào”. "Nó sẽ đẩy nhanh công việc của chúng tôi trong việc biến đổi di truyền ở các loài nấm men mới (non-model yeasts) để sản xuất hóa chất và nhiên liệu sinh học một cách hiệu quả về mặt chi phí".
Chỉnh sửa gen đã cách mạng hóa khả năng của các nhà khoa học trong việc hiểu và xử lý thông tin di truyền. Kỹ thuật di truyền này cho phép các nhà nghiên cứu đưa những đặc điểm mới vào một sinh vật, chẳng hạn như khả năng kháng sâu bệnh hoặc khả năng tạo ra một chất sinh hóa có giá trị.
Với hệ thống CRISPR/Cas, các nhà nghiên cứu có thể thực hiện các chỉnh sửa di truyền chính xác và có mục tiêu. Tuy nhiên, việc xác định vị trí gắn tối ưu trong bộ gen cho những chỉnh sửa này là một vấn đề quan trọng và phần lớn chưa được giải quyết. Trong lịch sử, khi các nhà nghiên cứu cần xác định vị trí cần chỉnh sửa, họ thường sàng lọc thủ công các vị trí gắn tiềm năng, sau đó kiểm tra vị trí đó bằng cách gắn gen báo cáo để đánh giá mức độ biểu hiện gen và mức độ biểu hiện gen của nó. Đó là một quá trình tốn nhiều thời gian và tài nguyên.
Hình 1. Giới thiệu về ứng dụng của CRISPR-COPIES.
Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu CABBI đã phát triển CRISPR-COPIES (COmputational Pipeline for the Identification of CRISPR/Cas-facilitated intEgration Sites), một quy trình tính toán để xác định các vị trí tích hợp được hỗ trợ bởi CRISPR /Cas (Hình 1). Công cụ này có thể xác định các vị trí tích hợp trung lập trong vòng hai đến ba phút, trên hầu hết đối với các bộ gen của vi khuẩn và nấm (Hình 2).
Hình 2: Quy trình tính toán của CRISPR-COPIES để xác định các vị trí tích hợp trung tính trên toàn bộ gen. (A) Đưa ra tệp fasta bộ gen và thông tin về hệ thống CRISPR/Cas quan tâm, tập lệnh sẽ xác định và lọc các gRNA dựa trên các đặc điểm trình tự ảnh hưởng đến các hoạt động đúng mục tiêu và ngoài mục tiêu. Các trình tự DNA bên cạnh gRNA được thu thập để làm khuôn mẫu cho quá trình sửa chữa theo hướng tương đồng. Đầu ra được sàng lọc bằng bảng tính năng NCBI để xác định vị trí các gRNA ứng cử viên trong khu vực giữa các thế hệ. (B) Đường dẫn tin sinh học để kết hợp thông tin về bộ gen và thu được các vị trí tích hợp trung tính. Bằng cách sử dụng bảng tính năng NCBI, các gRNA ứng cử viên được chú thích bằng thông tin gen lân cận và được lọc tùy thuộc vào vị trí của chúng trong bộ gen để xác định các vị trí mà không làm gián đoạn bất kỳ gen hoặc yếu tố điều hòa nào như bộ khởi động và bộ kết thúc. Nhãn vùng cũng được cung cấp cho từng vùng gen được phân tách bằng các tương đồng thiết yếu, thu được bằng cách thực hiện BLAST giữa các chuỗi protein trong sinh vật quan tâm và các protein thiết yếu của sinh vật tham chiếu có sẵn trong Cơ sở dữ liệu về các gen thiết yếu.
Aashutosh Boob, nghiên cứu sinh tiến sĩ của nhóm nghiên cứu ChBE tại trường Đại học Illinois và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Việc tìm kiếm vị trí gắn trong bộ gen theo cách thủ công cũng giống như tìm kim đáy bể”. "Tuy nhiên, với CRISPR-COPIES, chúng tôi biến đống cỏ khô thành một không gian có thể tìm kiếm được, tạo tiền đề cho các nhà nghiên cứu xác định hiệu quả vị trí của tất cả các mục tiêu phù hợp với tiêu chí lựa chọn của họ".
Trong bài báo đăng trên tạp chí Nucleic Acids Research, các nhà nghiên cứu đã chứng minh tính linh hoạt và khả năng mở rộng của CRISPR-COPIES bằng cách mô tả các vị trí gắn ở ba loài khác nhau: Cupriavidus necator , Saccharomyces cerevisiae và tế bào HEK 293T. Họ đã sử dụng các vị trí tích hợp do CRISPR-COPIES tìm thấy để thiết kế các tế bào có khả năng tăng cường sản xuất axit 5-aminolevulinic, một chất sinh hóa có giá trị có ứng dụng trong nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã tạo một mạng lưới giao diện người dùng dễ tương tác với kỹ thuật CRISPR-COPIES. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng ứng dụng cực kỳ dễ tiếp cận này ngay cả khi không có chuyên môn sâu về tin sinh học.
Mục tiêu chính của CABBI là kỹ thuật tạo ra các loại nấm men tái cấu trúc để sản xuất các hợp chất và nhiên liệu từ sinh khối thực vật. Tuy nhiên, việc sản xuất nhiên liệu sinh học và các sản phẩm sinh học từ nguyên liệu chi phí thấp ở quy mô lớn là một thách thức về mặt kinh tế do thiếu công cụ di truyền và tính chất cồng kềnh của các phương pháp chỉnh sửa bộ gen truyền thống. Bằng cách cho phép các nhà nghiên cứu xác định nhanh chóng các locus gen để tích hợp gen mục tiêu, CRISPR-COPIES cung cấp một quy trình hợp lý tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định các vị trí tích hợp ổn định trên toàn bộ gen. Nó cũng loại bỏ công đoạn thủ công liên quan đến việc thiết kế các thành phần để tích hợp DNA qua trung gian CRISPR/Cas.
Đối với kỹ thuật nông học, công cụ này có thể được sử dụng để tăng năng suất sinh khối, khả năng kháng sâu bệnh hoặc khả năng phục hồi môi trường. Để chuyển đổi sinh khối thành các hóa chất có giá trị. Ví dụ: bằng cách sử dụng nấm men S. cerevisiae - CRISPR-COPIES có thể được sử dụng để tạo ra các tế bào có năng suất cao hơn đáng kể.
Phần mềm đa năng này được thiết kế để đơn giản hóa và đẩy nhanh quá trình xây dựng tạo dòng, tiết kiệm cả thời gian và nguồn lực cho các nhà nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới ở cả giới học viện và ngành công nghiệp đều có thể hưởng lợi từ tiện ích của nó trong kỹ thuật tạo dòng để sản xuất hợp chất sinh học và phát triển cây trồng chuyển gen.
Đồng tác giả của nghiên cứu này bao gồm nghiên cứu sinh tiến sĩ Zhixin Zhu của ChBE, sinh viên trao đổi Pattarawan Intasian của ChBE và nghiên cứu sinh tiến sĩ kỹ thuật sinh học Guanhua Xun; Hai nhà phát triển phần mềm của Viện Sinh học Gen (IGB) Carl R. Woese là Manan Jain và Vassily Petrov; Stephan Thommas Lane - Giám đốc quỹ phát triển sinh học IGB; và Shih-I Tan - Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của CABBI.
Đinh Anh Hòa - hcmbiotech, theo Sciencedaily.
Đang trực tuyến :
13
Số lượt truy cập :
33278226 
Trở lại
In
Số lần xem: 126
