Nieuw CRISPR-Cas systeem met aan-uit schakelaar knipt eiwitten

Nieuws - 26 augustus 2022 - Communication TNW

Onderzoekers van de TU Delft in de groep van Stan Brouns hebben een CRISPR-Cas eiwit ontdekt dat geen DNA knipt maar eiwitten. De ontdekking opent de deur voor de ontwikkeling van een scala aan biotechnologische en medische toepassingen, bijvoorbeeld als sensor van RNA-moleculen uit ziekteverwekkers. Het artikel is gisteren gepubliceerd in Science.

Hoewel onderzoekers de laatste jaren CRISPR-Cas gebruiken om DNA precies aan te passen, gebruiken bacteriën het al miljarden jaren als immuunsysteem tegen binnendringende virussen. CRISPR-Cas eiwitten kunnen het DNA van virussen knippen en het zo onschadelijk maken. Maar CRISPR-Cas blijkt nu nog verder te gaan dan het knippen van DNA.

Brouns: “Toen we CRISPR-Cas ontdekten vonden we dat het viraal DNA op precieze plekken knipt. Later kwamen we erachter dat het eiwit meer verrassingen in petto had, toen sommige varianten van CRISPR-Cas ook viraal RNA knipten. Nu gaat het dus nog een stapje verder en kan CRISPR-Cas ook heel precies eiwitten knippen.”

Kiemrust
Eiwitten zijn de orgaantjes van een bacterie en vervullen allerlei functies om de bacterie te laten leven. Als belangrijke eiwitten kapotgaan door de knipactiviteit van het CRISPR-Cas systeem, kan dit leiden tot kiemrust. Dit is een soort slaapstand waarin virussen zich niet meer kunnen vermenigvuldigen in de bacterie. Omdat er dan geen nieuwe virussen meer bijkomen, is dit gunstig voor omringende bacteriën. 

Promovendus Sam van Beljouw, eerste auteur op het artikel, legt uit: “Kiemrust is een belangrijke verdedigingsstrategie voor bacteriën. Maar onnodige kiemrust, bijvoorbeeld als er geen virus aanwezig is, kan heel schadelijk zijn. We hebben gevonden dat het knipeiwit pas aangaat als deze het RNA van het virus herkent. Bacteriën activeren het immuunsysteem dus alleen als het virus in de cel aanwezig is. We zijn nu aan het uitzoeken hoe de geknipte eiwitten precies leiden tot kiemrust." 
 

Cryo-elektronmicroscopie afbeelding van het ontdekte CRISPR-Cas knipeiwit.

Elektronenmicroscopie 
Om een gedetailleerd beeld te krijgen van het mechanisme in het knipeiwit, hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van elektronenmicroscopie, in samenwerkingen met het Amerikaans onderzoeksteam van Professor Ailong Ke van Cornell University. Van Beljouw: “Een elektronenmicroscoop zendt een straal elektronen uit waarmee we de driedimensionale vouwing van een eiwit heel precies kunnen bepalen. Zo konden we details kleiner dan een nanometer zien in het knipeiwit en ontdekten we een ingenieuze schakelaar die het knipeiwit kon aanzetten na RNA-binding.” 

CRISPR sensor voor ziekteverwekkers
Hoewel het onderzoek nog in de kinderschoenen staat, kan dit CRISPR-Cas eiwit in de toekomst dienen als sensor van RNA-moleculen, bijvoorbeeld afkomstig van Covid-19 of andere ziekteverwekkers. Ook denken de wetenschappers het knipeiwit verder aan te kunnen passen, waardoor het andere eiwitten knipt. Brouns: “Nu knipt het een heel specifiek bacterieel eiwit, maar de verwachting is dat we het knipeiwit in het lab kunnen aanpassen zodat het andere eiwitten knipt. De mogelijkheden van dit nieuwe CRISPR gereedschap met aan-uit schakelaar zijn veelbelovend”.

Een video die inzoomt op het mechanisme: De RNA-binding (in het blauw) zet de schakelaar van het CRISPR-Cas systeem (in het groen) om, dat vervolgens het knipmechanisme activeert. (Video credits: Dr. Chunyi Hu, Cornell University)

Stan Brouns

Associate Professor

Sam van Beljouw

Promovendus

/* */