Các nhà khoa học đã nghiên cứu chi tiết cấu trúc ba chiều của một trong những hệ thống CRISPR-Cas13 nhỏ nhất được biết đến, CRISPR-Cas13bt3, được sử dụng để chỉnh sửa RNA và hoạt động khác với các protein khác trong cùng họ. Khám phá này cho phép họ cải thiện độ chính xác của công cụ, cho phép truy cập và phân phối tốt hơn đến trang chỉnh sửa mục tiêu, có khả năng cho phép họ chống lại vi-rút hiệu quả hơn bằng cách nhắm mục tiêu RNA.
Các nhà khoa học của Đại học Rice đã mô tả chi tiết cấu trúc ba chiều của một trong những hệ thống CRISPR-Cas13 nhỏ nhất được biết đến để cắt hoặc sửa đổi RNA, đồng thời sử dụng những phát hiện của họ để sửa đổi thêm công cụ nhằm cải thiện độ chính xác của nó. Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, phân tử này hoạt động khác với các protein khác trong cùng họ.
"Có nhiều loại hệ thống CRISPR khác nhau và trọng tâm nghiên cứu của chúng tôi lần này là hệ thống có tên CRISPR-Cas13bt3", Gao Yang, trợ lý giáo sư khoa học sinh học và là học giả tại Viện Nghiên cứu và Phòng chống Ung thư Texas, người giúp chủ trì nghiên cứu, cho biết. "Điều độc đáo ở nó là nó rất nhỏ. Thông thường, các phân tử như thế này chứa khoảng 1.200 axit amin, còn phân tử này chỉ có khoảng 700, vì vậy đó đã là một lợi thế."
TAG PH58
Kích thước nhỏ là một lợi thế vì nó cho phép truy cập và phân phối đến trang chỉnh sửa mục tiêu tốt hơn. Không giống như các hệ thống CRISPR liên kết với protein Cas9, thường nhắm vào DNA, các hệ thống liên quan đến Cas13 nhắm vào RNA, là “hướng dẫn” trung gian để chuyển đổi thông tin di truyền được mã hóa trong DNA thành bản thiết kế để lắp ráp protein.
Các nhà nghiên cứu hy vọng những hệ thống nhắm mục tiêu RNA này có thể được sử dụng để chống lại virus, loại virus thường sử dụng RNA thay vì DNA để mã hóa thông tin di truyền của chúng.
"Phòng thí nghiệm của tôi là phòng thí nghiệm sinh học cấu trúc," Gao Yang nói. "Chúng tôi đang cố gắng hiểu cách thức hoạt động của hệ thống này. Vì vậy, một phần mục tiêu của chúng tôi là có thể nhìn thấy nó trong không gian ba chiều và tạo ra một mô hình giúp chúng tôi giải thích cơ chế của nó."
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử đông lạnh để lập bản đồ cấu trúc của hệ thống CRISPR, đặt phân tử lên một lớp băng mỏng rồi bắn một chùm electron xuyên qua nó, tạo ra dữ liệu sau đó được xử lý thành mô hình ba chiều chi tiết. Kết quả khiến họ ngạc nhiên.
"Chúng tôi nhận thấy rằng hệ thống này triển khai một cơ chế khác với các protein khác trong họ Cas13, vốn có hai miền riêng biệt ban đầu kết hợp với nhau sau khi hệ thống được kích hoạt -- Nó hơi giống hai nhánh kéo - sau đó thực hiện cắt. Hệ thống này hoàn toàn khác: chiếc kéo đã tồn tại nhưng nó cần móc chuỗi RNA vào đúng vị trí mục tiêu. Để làm được điều này, nó sử dụng một yếu tố liên kết trên hai vòng lặp độc đáo này kết nối các phần khác nhau của protein lại với nhau."
Deng Xiangyu, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Gao Yang, cho biết: "Việc xác định cấu trúc của phức hợp protein và RNA thực sự là một thách thức và chúng tôi phải xử lý rất nhiều sự cố để làm cho phức hợp protein và RNA ổn định hơn để chúng tôi có thể lập bản đồ cấu trúc của nó."
Sau khi nhóm nghiên cứu tìm ra cách thức hoạt động của hệ thống, các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của kỹ sư hóa học và phân tử sinh học Shirley Gao bắt đầu điều chỉnh hệ thống để cải thiện độ chính xác bằng cách kiểm tra hoạt động và tính đặc hiệu của nó trong tế bào sống.
"Chúng tôi nhận thấy rằng các hệ thống này có thể nhắm mục tiêu dễ dàng hơn trong quá trình nuôi cấy tế bào", Sherry Gao, Trợ lý Giáo sư Luật Ted N. về Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử cho biết. “Điều thực sự có giá trị ở công trình này là những hiểu biết sâu sắc về cấu trúc sinh học chi tiết cho phép chúng tôi xác định một cách hợp lý các nỗ lực kỹ thuật cần thiết để cải thiện tính đặc hiệu của công cụ trong khi vẫn duy trì hoạt động chỉnh sửa RNA mục tiêu ở mức cao.”
Emmanuel Osikpa, trợ lý nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Xue Gao, đã tiến hành các thí nghiệm tế bào và xác nhận rằng Cas13bt3 được thiết kế có thể nhắm mục tiêu vào các nhóm RNA cụ thể với độ chính xác cao.
Osikpa cho biết: "Tôi đã có thể chứng minh rằng Cas13bt3 được thiết kế này hoạt động tốt hơn hệ thống ban đầu. Một nghiên cứu toàn diện về cấu trúc đã nêu bật những ưu điểm của phương pháp tiếp cận có mục tiêu, hướng đến cấu trúc so với các màn hình gây đột biến ngẫu nhiên quy mô lớn và tốn kém."