Wissenschaft

Ein Lichtschalter zum Schneiden von DNA

Von außen muss es wie ein langweiliges Experiment ausgesehen haben: Ein Wissenschaftler beugte sich in einem stockdunklen Raum über eine Plastikschale. Die Tür ist geschlossen, um das Licht vom Flur fernzuhalten. Für das menschliche Auge unsichtbar, enthält die Schale Tausende menschlicher Zellen. Der Wissenschaftler drückt einen Schalter. Ein blaues Licht flackert und beleuchtet die Zellen. Ehrlich gesagt sieht es so aus, als wäre nichts passiert. Aber in jeder Zelle gibt es eine bemerkenswerte Veränderung: Ihre Genome wurden von einem lichtgerichteten DNA-Editor geschnitten.

Wissenschaftler wissen seit mindestens 2008, dass einige Bakterien in freier Wildbahn leben ein Protein herumtragen genannt Cas9, das DNA schneiden kann. Cas9 bindet dazu an eine Leit-RNA und scannt dann das Genom. Wenn die Leit-RNA eine komplementäre DNA-Sequenz findet, spaltet Cas9 wie eine Guillotine und teilt die DNA in zwei Teile.

Im Jahr 2011 nahmen Wissenschaftler der Universität Vilnius in Litauen diesen natürlichen DNA-Cutter mit ins Labor und benutzte es, um DNA zu schneiden in einem Organismus, der natürlich nicht Cas9 hat. Im Jahr 2013 wurde Cas9 verwendet, das zusammen mit einer Leit-RNA das als CRISPR bekannte DNA-Editing-Tool bildet DNA in menschliche Zellen schneiden

Der frühe Erfolg war mit einer unmittelbaren Herausforderung verbunden: CRISPR ist ständig aktiv. Es schneidet und schneidet, es hackt DNA, bis Cas9 von der Zelle zerstört und recycelt wird (was laut eine StudieUnd die Leit-RNA passt nicht immer perfekt zur DNA. manchmal bindet es an ein Stück DNA, das gleich aussieht und auch dort einen Schnitt macht. Dies kann die Zelle schädigen und wichtige Teile des Genoms schädigen. Aus diesen Gründen lässt Cas9 die meisten Zellen langsam wachsen; es ist giftig.

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Diese CRISPR-Nebenwirkungen inspirierten ein Forscherteam der Universität Tokio, eine verbesserter DNA-Cutter im Jahr 2015. Sie schufen ihr lichtgesteuertes CRISPR-System, nachdem sie einen Artikel über Brotform gelesen hatten – Neurospora crassa – das ein Protein trägt, das blaues Licht wahrnehmen kann. Wenn dieses Protein mit Licht der richtigen Farbe getroffen wird, zieht es die Aufmerksamkeit auf sich, schwebt durch die Zelle und wenn es einen passenden Proteinpartner findet, verschmelzen die beiden. Brutto X. nutzt diese Proteinduette, um zelluläre Prozesse bei hellem Sonnenlicht auszulösen. Für das Tokioter Team bot es etwas Größeres.

Die Forscher teilten das Cas9-Protein in zwei Hälften auf und befestigten das Pilz-Schlüsselprotein an einer Hälfte und das Lock-Protein an der anderen. Wenn blaues Licht auf die Proteine ​​trifft, ändern sie Form, Pose und verschmelzen. Das gespleißte Cas9-Protein ist jetzt ganz und kann DNA schneiden. Das Protein kann immer noch an den falschen Stellen schneiden, aber sobald das Licht ausgeht, kommt der Schlüssel aus dem Schloss, das CRISPR-Protein fällt auseinander und die Aktivität hört auf. Unfallschäden werden auf ein Minimum reduziert. Die zerrissene DNA heilt und hinterlässt eine Mutation wie eine Narbe.

Lichtgesteuertes CRISPR wird heute in Labors auf der ganzen Welt eingesetzt. Forscher haben es verwendet, um zu studieren Gene, die am Schlaf beteiligt sind und zu Manipulation des Stoffwechsels von Organismen, die Licht verwenden. Anstatt DNA kontinuierlich zu schneiden, können diese molekularen Scheren einfach ein- und ausgeschaltet werden. Die Experimente des Teams in Tokio waren Biotechnik im kleinsten Maßstab. Und alles begann in einem pechschwarzen Raum mit ein bisschen blauem Licht.

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Lili Falk

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