В июле на программе «Большие вызовы» школьники включились в проект, посвященный методу редактирования геномов «генетическими ножницами». В данной методике применяется известная система CRISPR/Cas9. Она позволяет не только распознавать и «вырезать» из ДНК гены с ошибками, но также и исправлять их. В перспективе это открывает новые возможности для лечения генетических заболеваний. Однако сам метод пока требует усовершенствования. Над этой задачей работают многие эксперты, в том числе российские ученые из Института молекулярной биологии имени В.А.Энгельгардта Российской академии наук. В рамках проекта на программе «Большие вызовы» ребятам предложили включиться в масштабное исследование.
Метод редактирования генома с применением бактериальной системы «генетические ножницы» способен кардинально повлиять на многие сферы. Например, в сельском хозяйстве такая методика может улучшить агротехнические параметры культур. В медицине – открывает большие перспективы в лечении онкологических и генетических заболеваний.
«Генетические ножницы» – это инструмент, который позволяет исправить ошибку в ДНК. Методика реализуется с помощью специального бактериального белка Cas9, выделенного из бактерии Streptococcus pyogenes. Его можно направить на поиск и разрезание любого желаемого фрагмента ДНК. По меркам науки «генетические ножницы» – это новая технология, которой требуются дальнейшие уточнения и доработки. В одну из таких задач ученые предложили погрузиться участникам июльской программы «Большие вызовы».
«После распознавания ДНК “генетические ножницы” разрезают молекулу ДНК. Однако, как только мы запускаем этот процесс, клетка стремится к тому, чтобы починить ДНК. Есть два пути, по которому может проходить процесс репарации в клетке: гомологичная рекомбинация и негомологичное соединение концов ДНК. Нас интересует путь гомологичной рекомбинации, когда клетка достраивает поврежденный участок с помощью “правильной копии”, тем самым заменяя ген с ошибкой на нужный. Но проблема в том, что клетка чаще запускает репарацию по второму, негомологичному варианту. При таком пути после разрезания возникают дефекты, и функции гена нарушаются. К сожалению, этот путь существенно превалирует. В настоящее время наш институт, как и многие другие исследовательские группы, пытается создать условия для гомологичной рекомбинации. Мы ищем различные факторы, которые могли бы повлиять на этот процесс», – поясняет руководитель проекта, младший научный сотрудник лаборатории механизмов и контроля трансляции Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта Российской академии наук Николай Пустогаров.
Ученые пробуют сдвинуть чашу весов в пользу гомологичного пути репарации ДНК в клетках. Для этого они намерены дополнительно к «генетическим ножницам» ввести белки экзонуклеаз нескольких видов бактериофагов (вирусов, заражающих бактериальные клетки). Ученые предполагают, что гиперэкспрессия белков приведет к образованию липких концов ДНК в месте разрыва, и негомологичные соединения станут невозможны. Ребята вели работу на модельных системах. В клеточной линии, производящей зеленый флуоресцентный белок, проводилось редактирование с использованием технологии CRISPR/Cas9, в результате в случае гомологичной репарации вместо зеленого флуоресцентного белка в клетке должен был получиться синий. Если же репарация шла по пути негомологичного соединения, то флуоресценция просто исчезала. Школьники анализировали путь репарации при редактировании и влияние дополнительных белков на этот процесс.
.jpg)
В ходе проекта ребята под руководством наставников учились работать с бактериями, на модельных культурах клеток человека, с помощью системы «генетических ножниц» менять один блок на другой, проводили различные тесты, чтобы определить, по какому пути идет репарация клетки, ставили ПЦР в реальном времени, изучали методику проточной цитометрии.
«Я серьезно занимаюсь генетикой второй год. А вообще еще в начальной школе начал увлекаться биологией. Наш проект посвящен улучшению работы системы “генетических ножниц”. Есть и другие методики с похожими целями, но именно “генетические ножницы” намного легче нацелить на конкретный участок. Было достаточно сложно на первых этапах разобраться во всех нюансах работы этой системы, до проекта я никогда не погружался так глубоко в ее изучение. Я очень люблю заниматься так называемой мокрой биологией, работать с реактивами, и проект помог мне получить множество новых навыков. В будущем я мечтаю стать ученым-генетиком или врачом», – рассказал участник проекта Алексей Ветюгов из Нижнего Новгорода.
«Раньше я больше увлекалась программированием, но вместе с этим меня всегда привлекали науки о жизни и медицина. Мне всегда хотелось помогать людям, и я постепенно стала изучать биологию. На Сириус.Курсах я нашла интересующие меня уроки по молекулярной биологии. Эта область настолько поглотила меня, что я поняла: это полностью моя сфера. Теперь благодаря “Большим вызовам” я впервые погрузилась в проектную деятельность. Кстати, для анализа полученных данных мы пользовались специальным программным обеспечением, и здесь очень пригодились знания из моей первой сферы научных интересов», – поделилась участница проекта Любовь Кутырева из Улан-Удэ.
Благодаря проведенным на программе экспериментам ученые и школьники получили первые данные об использовании экзонуклеаз в методике «генетических ножниц». В дальнейшем эту гипотезу предстоит тщательно изучить и протестировать. Если первые эксперименты покажут положительное влияние на гомологичную рекомбинацию, работа продолжится. Далее методику предстоит проверить на безопасность и изучить влияние экзонуклеаз на жизнедеятельность клетки в целом.
