В то время как CRISPR остается доминирующим инструментом редактирования генов, научное сообщество обратило внимание на другую естественную защитную систему бактерий, обладающую огромным неизученным потенциалом. В исследовании, опубликованном в журнале Cell Research, и в материалах, предоставленных Live Science, описывается иммунная система под названием SPARDA. Она представляет собой механизм защиты от чужеродной ДНК, такой как плазмиды и вирусы-фаги, но действует по принципиально иному, «камикадзе-подобному» сценарию, уничтожая саму зараженную клетку, чтобы предотвратить распространение инфекции в популяции.
Название системы является акронимом от Short Prokaryotic Argonaute, RNase/DNase Associated (короткий прокариотический аргонавт, ассоциированный с РНКазой/ДНКазой). В основе SPARDA лежат белки семейства аргонавтов, которые эволюционно сохранились во всех трех царствах живой природы. Свое имя они получили в честь осьминога-аргонавта (Argonauta). Первоначально эти белки были идентифицированы в растениях, где определенные мутации приводили к появлению проростков с узкими листьями, напоминающими щупальца осьминога.
Ключевую роль в изучении новой системы сыграл биохимик Миндаугас Заремба из Вильнюсского университета в Литве. Поскольку механика работы SPARDA долгое время оставалась неясной, исследовательская группа применила инструмент искусственного интеллекта AlphaFold. Эта система машинного обучения, предсказывающая трехмерную форму белков на основе их последовательности, позволила просканировать структуру молекулы и обнаружить критически важную область активации, названную «бета-реле».
Для молекулярного анализа команда перенесла системы SPARDA в модель организма E. coli (кишечная палочка). Исходный материал был взят из двух специфических видов микробов. Первым стал Xanthobacter autotrophicus — обитающая в почве бактерия, которая избегает солнечного света и синтезирует питательные вещества из локального азота. Вторым источником послужил Enhydrobacter aerosaccus, впервые обнаруженный в озере Уинтергрин (Wintergreen Lake) в штате Мичиган; этот микроорганизм примечателен наличием биологических «подушек безопасности», позволяющих ему плавать в воде.
Благодаря сканированию AlphaFold ученые выяснили, что бета-реле является универсальной характеристикой для этого типа белков и работает подобно электрическому переключателю. Когда система обнаруживает внешнюю угрозу, бета-реле меняет форму, запуская цепную реакцию. Активированные белки аргонавты объединяются в комплексы, выстраиваясь в длинные спиралевидные цепи. Эти спирали начинают беспорядочно разрезать всю окружающую ДНК, что приводит к гибели клетки-хозяина вместе с захватчиком.
Этот механизм открывает новые горизонты в биотехнологиях, особенно в сфере диагностики. Ученые предполагают, что бета-реле можно модифицировать таким образом, чтобы оно активировалось только при распознавании конкретной последовательности, интересующей врачей, например, генетического материала вируса гриппа или SARS-CoV-2. Это позволит создавать высокоточные диагностические инструменты, аналогичные существующим системам на базе CRISPR, но с существенными техническими преимуществами.
Главное отличие и преимущество SPARDA перед CRISPR заключается в отсутствии необходимости в последовательностях PAM (мотив, прилегающий к протоспейсеру). Для работы CRISPR наличие PAM обязательно; это можно сравнить со штырями вилки, которые должны точно подходить к розетке, иначе система не получит питания. SPARDA же лишена этого ограничения.
Отсутствие зависимости от PAM делает новую систему своего рода «универсальным адаптером». Это свойство обеспечивает SPARDA гораздо большую гибкость по сравнению с текущими методами. Потенциально такой инструмент способен обнаруживать более широкий спектр патогенов и микробов, что может существенно повысить эффективность будущих диагностических платформ.
Изображение носит иллюстративный характер
Название системы является акронимом от Short Prokaryotic Argonaute, RNase/DNase Associated (короткий прокариотический аргонавт, ассоциированный с РНКазой/ДНКазой). В основе SPARDA лежат белки семейства аргонавтов, которые эволюционно сохранились во всех трех царствах живой природы. Свое имя они получили в честь осьминога-аргонавта (Argonauta). Первоначально эти белки были идентифицированы в растениях, где определенные мутации приводили к появлению проростков с узкими листьями, напоминающими щупальца осьминога.
Ключевую роль в изучении новой системы сыграл биохимик Миндаугас Заремба из Вильнюсского университета в Литве. Поскольку механика работы SPARDA долгое время оставалась неясной, исследовательская группа применила инструмент искусственного интеллекта AlphaFold. Эта система машинного обучения, предсказывающая трехмерную форму белков на основе их последовательности, позволила просканировать структуру молекулы и обнаружить критически важную область активации, названную «бета-реле».
Для молекулярного анализа команда перенесла системы SPARDA в модель организма E. coli (кишечная палочка). Исходный материал был взят из двух специфических видов микробов. Первым стал Xanthobacter autotrophicus — обитающая в почве бактерия, которая избегает солнечного света и синтезирует питательные вещества из локального азота. Вторым источником послужил Enhydrobacter aerosaccus, впервые обнаруженный в озере Уинтергрин (Wintergreen Lake) в штате Мичиган; этот микроорганизм примечателен наличием биологических «подушек безопасности», позволяющих ему плавать в воде.
Благодаря сканированию AlphaFold ученые выяснили, что бета-реле является универсальной характеристикой для этого типа белков и работает подобно электрическому переключателю. Когда система обнаруживает внешнюю угрозу, бета-реле меняет форму, запуская цепную реакцию. Активированные белки аргонавты объединяются в комплексы, выстраиваясь в длинные спиралевидные цепи. Эти спирали начинают беспорядочно разрезать всю окружающую ДНК, что приводит к гибели клетки-хозяина вместе с захватчиком.
Этот механизм открывает новые горизонты в биотехнологиях, особенно в сфере диагностики. Ученые предполагают, что бета-реле можно модифицировать таким образом, чтобы оно активировалось только при распознавании конкретной последовательности, интересующей врачей, например, генетического материала вируса гриппа или SARS-CoV-2. Это позволит создавать высокоточные диагностические инструменты, аналогичные существующим системам на базе CRISPR, но с существенными техническими преимуществами.
Главное отличие и преимущество SPARDA перед CRISPR заключается в отсутствии необходимости в последовательностях PAM (мотив, прилегающий к протоспейсеру). Для работы CRISPR наличие PAM обязательно; это можно сравнить со штырями вилки, которые должны точно подходить к розетке, иначе система не получит питания. SPARDA же лишена этого ограничения.
Отсутствие зависимости от PAM делает новую систему своего рода «универсальным адаптером». Это свойство обеспечивает SPARDA гораздо большую гибкость по сравнению с текущими методами. Потенциально такой инструмент способен обнаруживать более широкий спектр патогенов и микробов, что может существенно повысить эффективность будущих диагностических платформ.
