24.02.2022

Turbo für die CRISPR-Forschung

PAM-DETECT beschleunigt Charakterisierung von Immunsystemen

Bei vielen Erkrankungen des menschlichen Organismus stoßen die Mittel und Möglichkeiten der Medizin an ihre Grenzen. CRISPR-Technologien bieten neue Ansätze für die Diagnostik und Therapie. Wissenschaftler:innen vom Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg, einer Einrichtung des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, zeigen jetzt eine neue Methode auf, um CRISPR-Systeme zu erforschen und ihre Nutzung voranzutreiben. Ihr neuer Ansatz wurde heute im Fachmagazin Molecular Cell veröffentlicht.

Gruppenbild der Forschungsgruppe mit Prof. Dr. Chase Beisel, Dr. Ioannis Mougiakos,  Frank Englert, Franziska WimmerVorn: Prof. Dr. Chase Beisel (li.), Dr. Ioannis Mougiakos; hinten: Frank Englert, Franziska Wimmer. © HIRI, Britta Grigull CRISPR-Technologien sind Werkzeuge, die unter anderem der Genombearbeitung dienen. In der Natur kommen sie in der bakteriellen Immunabwehr vor: als Schutz der Bakterien vor eindringenden Viren. In der Anwendung stützen sich CRISPR-Verfahren meist auf einzelne Proteine wie Cas9 oder Cas12 und eine Ribonukleinsäure-Komponente (RNA, von engl. ribonucleic acid). Drei Viertel aller bakteriellen Immunsysteme basieren jedoch auf mehreren Proteinen, die Komplexe bilden.

Einzigartige Funktionen bei der Virenabwehr

Diese Multiproteinkomplexe haben einzigartige Funktionen bei der Virenabwehr und könnten neue Anwendungsmöglichkeiten auch für den Menschen hervorbringen. Die große Zahl an Proteinen erschwert es jedoch, alle notwendigen Schritte durchzuführen, um die Komplexe zu erforschen und zu charakterisieren.
 
Schaubild der CRISPR-Systeme zur bakteriellen ImmunabwehrMithilfe von zellfreien Systemen haben HIRI-Wissenschaftler:innen einen neuen Ansatz entwickelt, um CRISPR-Systeme – die bakterielle Immunabwehr – einfach und schnell zu charakterisieren. So wollen sie dazu beitragen, eine neue Generation von CRISPR-Technologien zu entwickeln. © HIRI, Franziska Wimmer „Diese Herausforderung hat unser grundlegendes Verständnis von CRISPR-Systemen, die aus mehreren Proteinen bestehen, sowie deren Verwendung als Technologien bislang eingeschränkt“, sagt Franziska Wimmer, eine der beiden Erstautor:innen der heute im Fachmagazin Molecular Cell veröffentlichten Studie und Doktorandin am HIRI. „Vor diesem Hintergrund stellen wir jetzt einen vielversprechenden neuen Ansatz vor.“ Dieser basiert auf einem zellfreien System – einer flüssigen Mischung, mit deren Hilfe sich im Labor RNA und Proteine herstellen lassen. In Kombination mit weiteren Technologien wie der Hochdurchsatzsequenzierung gelingt eine zügige Analyse der Proteinfunktionen. Die erforderlichen Arbeitsschritte können in weniger als einem Tag abgeschlossen werden.

„Standardverfahren basieren auf extrahierten Proteinen oder zellbasierten Proben und sind extrem langsam. Das erschwert die Erforschung der meisten in der Natur vorkommenden CRISPR-Systeme“, sagt Dr. Ioannis Mougiakos, der im Erstautorenduo mit Wimmer die Untersuchungen vorantrieb.

Unsere neue Methode, genannt PAM-DETECT, ist im Vergleich dazu ein regelrechter Turbo für die CRISPR-Forschung. Sie kann unsere Arbeit künftig radikal beschleunigen.

Dr. Ioannis Mougiakos, HIRI-Wissenschaftler

„Wir erhoffen uns, dass PAM-DETECT von der CRISPR-Gemeinde weitgehend übernommen wird. Wir haben bereits begonnen, mit anderen Forschungsgruppen zusammenzuarbeiten, die unser Verfahren ebenfalls anwenden wollen“, sagt Chase Beisel. Der korrespondierende Autor der Studie ist Professor an der JMU und Leiter der Abteilung Synthetische RNA-Biologie am HIRI, in der auch Wimmer und Mougiakos forschen.

Über PAM-DETECT

Mit PAM-DETECT lässt sich feststellen, welche DNA-Sequenzen von einem CRISPR-System erkannt werden können. Mithilfe dieser Technik konnten die HIRI-Forscher:innen eine große Zahl an CRISPR-Systemen charakterisieren, die auf Proteinkomplexen basieren. PAM-DETECT wurde außerdem verwendet, um CRISPR-Transposons zu erforschen, welche das Einfügen großer DNA-Stücke ermöglichen. Die Ergebnisse der aktuellen Studie könnten zu neuen Technologien in der Diagnostik, der Genom-Editierung und der Genom-Regulation führen.

Originalpublikation

Wimmer F, Mougiakos I, Englert F, Beisel CL. Rapid cell-free characterization of multi-subunit CRISPR effectors and transposons. Molecular Cell, Februar 2022, DOI: 10.1016/j.molcel.2022.01.026

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