Genredigeringstekniken känd som CRISPR har lett till revolutionerande förändringar inom jordbruk, hälsoforskning och mer.

I forskning publicerad i Nature Catalysis , producerade forskare vid Florida State University de första högupplösta, tidsfördröjda bilderna som visar magnesiumjoner som interagerar med CRISPR-Cas9-enzymet medan det skär DNA-strängar, vilket ger tydliga bevis för att magnesium spelar en roll i både kemisk bindningsbrytning och nära- samtidig DNA-skärning.

"Om du skär gener vill du inte ha bara en DNA-sträng bruten, eftersom cellen kan reparera den lätt utan att redigera. Du vill att båda strängarna ska brytas", säger Hong Li, professor vid Institutionen för kemi och biokemi och chef för Institutet för molekylär biofysik. "Du behöver två skärsår som skjuter nära varandra. Magnesium spelar en roll i det, och vi såg exakt hur det fungerar."

CRISPR-Cas9 är det mest använda verktyget för genetisk manipulation. Tekniken använder ett återanvänt enzym för att binda till DNA, vilket tillåter förändringar på specificerade platser i ett genom.

Forskare har vetat att magnesium spelar en roll i denna process, men det var oklart exakt hur, och ingen hade kunnat ta tidsförflutna bilder av processen på nära håll. Genom att utnyttja en långsammare version av CRISPR-Cas9 visade denna forskning att magnesiumjoner i centrum av katalysreaktionen är nyckeln till nästan samtidig skärning.

"Jag tror många gånger inom vetenskapen, även om du kan sluta dig till något, skulle du vilja ha beviset," sa Li. "Till exempel, med magnesium vet alla att du behöver det, men att inte se det i aktion, det är inte fullständig vetenskap, eller hur? Du har inte samma nivå av förståelse för hur det fungerar."

Forskarna använde kryo-elektronmikroskopet vid FSU:s Biological Science Imaging Resource, som kan producera bilder med nära atomär upplösning, för att observera metalljoner och andra atomer i arbete inom CRISPR-Cas9-enzymet. Det gjorde det möjligt för dem att samla in data som inte bara bekräftade deras tidigare hypoteser utan också ledde till den överraskande upptäckten om hur magnesium koordinerar dubbelsträngade brott.

CRISPR gjorde sin debut inom genredigering 2013, och sedan dess har forskare arbetat för att öka dess tillförlitlighet och utöka dess tillämpbarhet på en mängd olika organismer och celltyper.

"Genom att ändra de aktiva platserna - uppsättningarna av "saxar" som skär mål- och icke-mål-DNA-strängar - kan vi påverka Cas9s förmåga att använda alternativa metaller för att skära, säger doktorand och medförfattare Mitchell Roth. "Det finns fortfarande mycket att utforska med CRISPR."

Att förstå hur varje element påverkar enzymets funktion ger forskarna insikt i vilka forskningsvägar som kan ge ny kunskap och användningsområden. Li och hennes team planerar ytterligare forskning för att undersöka hur CRISPR-Cas9 kan omarbetas för andra ändamål.

Medförfattare till detta dokument var tidigare postdoktorala forskare Anuska Das och Jay Rai, doktorand Yuerong Shu, student Megan L. Medina och före detta student Mackenzie R. Barakat, alla från FSU.

Mer information: Anuska Das et al, Kopplade katalytiska tillstånd och metallkoordinationens roll i Cas9, Naturkatalys (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01031-1

Journalinformation: Naturkatalys

Tillhandahålls av Florida State University