Разработанный американскими биоинформатиками новый инструмент с открытым исходным кодом призван существенно упростить и ускорить генетическую модификацию растений, применяя технологию CRISPR/Cas. По мнению авторов, это программное обеспечение должно не только ускорить исследовательский процесс, но и уменьшить количество неудачных экспериментов.
В настоящее время генетическая модификация растений, в особенности сельскохозяйственных культур, является распространенной технологией. Она применяется для изменения характеристик плодов, увеличения урожайности и повышения устойчивости растений к неблагоприятным условиям. Значимую роль в этом процессе играет технология CRISPR/Cas.
CRISPR/Cas является ключевым инструментом в современных технологиях редактирования генов. С его помощью можно точно удалять определенные фрагменты ДНК в клетках разных организмов и заменять их на другие, содержащие необходимый ген. Для поиска целевого участка ДНК используется направляющая РНК (гРНК), которая указывает белку Cas, где следует провести вырезку.
В теории все кажется простым, однако на практике существует вероятность нецелевого изменения ДНК (в областях, отличных от запланированных) и сбоев в последовательности генов, определяющих структуру белка. Это связано с тем, что направляющая РНК может взаимодействовать с несколькими участками ДНК. Проблема усугубляется в случае многих сельскохозяйственных культур из-за сложности и полиплоидности их геномов.
В Центре передовых инноваций в области биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) началась работа над адаптацией технологии CRISPR/Cas для использования в геномах растений. Специалисты разработали CROPSR — уникальный программный инструмент с открытым исходным кодом, предназначенный для полногеномного проектирования и оценки последовательностей направляющих РНК (gRNA) при проведении экспериментов CRISPR/Cas. Результаты работы опубликованы в журнале BMC Bioinformatics.
«CROPSR предлагает научному сообществу инновационные подходы и принципиально новый способ проведения экспериментов с использованием технологии CRISPR/Cas9, — объясняет разработчик CROPSR, ведущий автор исследования и аспирант по молекулярной биологии Ханс Мюллер Пауль ( Hans Müller Paul). — Мы рассчитываем, что новая программа позволит ускорить исследовательский процесс и уменьшить число неудачных опытов».
Существующие программные инструменты для разработки и оценки эффективности экспериментов CRISPR традиционно применялись для редактирования геномов бактерий и млекопитающих. Эти организмы значительно отличаются от полиплоидных геномов сельскохозяйственных культур, имеющих кратное число хромосом. В растениях, для регулирования одного признака, например, связанного с воздействием стрессовых факторов, часто используется целый комплекс генов.
Используя CRISPR/Cas-систему, исследователь может провести эксперимент по инактивации одного или нескольких генов, не зная о других, которые выполняют аналогичные функции. Существует также вероятность случайного вырезания другого гена, содержащего похожую последовательность ДНК, но выполняющего иную функцию.
Иногда обнаружить проблему удается только после того, как растение полностью вырастет и созреет, без видимых изменений или с появлением новой характеристики (что случается крайне редко и не приносит пользы). Эта ситуация особенно критична для культур, требующих специфических погодных условий, поскольку упущенный сезон может привести к задержке разработки на целый год.
Чтобы решить поставленную задачу, команда разработала программный пакет на Python, в котором был изменен подход к созданию и оценке направляющих РНК. Это изменение учитывает необходимость удаления всех копий гена, избегая при этом повреждения нежелательных участков ДНК. Авторы утверждают, что модели оценки гРНК в CROPSR позволяют получать более точные прогнозы эффективности CRISPR/Cas, даже при работе с геномами, не связанными с сельским хозяйством.
CROPSR также позволяет создавать базу данных гРНК для всего генома сельскохозяйственной культуры. Для выполнения этого процесса необходимо значительное количество вычислительных ресурсов и времени.
Для формирования базы данных, пригодной для повторного использования в различных экспериментах, исследователям достаточно провести работу лишь один раз.
Для достижения цели ученым достаточно найти соответствующий ген в собственной базе данных, выбрать гРНК из предложенного перечня, после чего CROPSR автоматически определит другие участки генома, требующие воздействия.
«Пауль подчеркивает, что получить доступ к базе данных, извлечь всю нужную информацию, подготовленную к использованию, и приступить к исследованию — очень просто. Он считает, что сокращение времени, затрачиваемого на планирование экспериментов, позволит увеличить время, отведенное на их проведение».