EN / DA
Krop og sind

Gigantisk molekylær saks er nu blevet kortlagt

Forskere har kortlagt strukturen og funktionen af et gigantisk CRISPR-Cas-kompleks. Kortlægningen af den molekylære saks kan gøre forskere klogere på, hvordan bakterier udvikler resistens, og hvordan vi kan bekæmpe den.

Forskere fra Københavns Universitet har kortlagt strukturen og funktionen af det største CRISPR-Cas-system til dato.

Den molekylære saks indeholder 37 polypeptider og en crRNA-molekyle, som indeholder 6 aktive katalytiske centre og spiller en helt central rolle i mikroorganismers forsvar mod invaderende fager (virus, som angriber bakterier).

Kortlægningen af Cmr-β, som CRISPR-Cas-systemet hedder, giver forskerne en helt ny indsigt i den kamp mellem mikrober, som leder til udvikling af antibiotikaresistens, og så kan opdagelsen potentielt rumme andre bioteknologiske anvendelsesmuligheder i fremtiden.

”Det er svært at sige, hvordan denne opdagelse kan udnyttes nu. CRISPR-teknologien har med CRISPR-Cas9 allerede revolutioneret genteknologien, og selvom vores CRISPR-Cas-system formentlig ikke kan bruges til samme formål, kan det muligvis benyttes i andre sammenhænge, som vi endnu ikke kender til, men som kræver, at man som det første kender til strukturen og funktionen af Cmr-β,” forklarer en af forskerne bag kortlægningen, Guillermo Montoya, der er professor ved Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research ved Københavns Universitet.

Forskningen er publiceret i Molecular Cell.

CRISPR-Cas er hjørnestenen i forsvaret mod fager

Cmr-β er en vigtig del af arkæernes (en slags mikroorganisme) forsvar mod invaderende fager.

Når fagerne sætter sig på overfladen af cellen, skyder de deres genetiske materiale ind i cellen for på den måde at få værten til at kopiere fagernes arvemateriale og lave flere fager på bekostning af cellens egne overlevelsesmuligheder.

Modsvaret fra arkæcellen er at mobilisere blandt andet Cmr-β, som identificerer det fremmede RNA og klipper det i småstykker.

Det nye forskningsresultat viser, at Cmr-β har 4 forskellige katalytiske steder, som blandt andet kan binde fremmed RNA og skære det over.

Historien slutter dog ikke her…

Over evolutionær tid har mange fager udviklet et modsvar, hvor de skyder molekyler, såkaldte anti-CRISPR-molekyler, ind i arkæcellen, hvilket sætter komplekser som Cmr-β ud af spillet.

Fagerne er dog ikke ene om at udvikle sig over tid, og det nye forskningsarbejde antyder, at nogle af de mange proteindele i Cmr-β rent faktisk danner en beskyttende kappe omkring CRISPR-Cas-systemet, så fagernes anti-CRISPR-molekyler ikke kan trænge ind til kompleksets katalytiske dele og sætte dem skakmat.

Derudover producerer Cmr-β også molekylet cyklisk oligo-adenylat, der aktiverer andre molekylære sakse og ad den vej intensiverer det mikrobiologiske forsvar.

”Det er et utroligt omfattende kompleks, som har været meget kompliceret at kortlægge, fordi det har så mange forskellige funktioner. Det er svært at finde andre eksempler på proteinkomplekser, der har flere enzymatiske aktiviteter i ét og samme kompleks,” forklarer Guillermo Montoya.

Giver indsigt i udvikling af antibiotikaresistens

I arbejdet har forskerne kortlagt strukturen af Cmr-β ved hjælp af en teknik kaldet cryoEM, hvor de med et elektronmikroskop tog tusindvis af slørede billeder af proteinkomplekset og sammensatte dem til højopløste 3D-billeder.

På den måde kunne de se, hvordan proteinkomplekset så ud i aktiveret og inaktiveret form.

Forståelsen af funktionen af Cmr-β er også en forståelse af, hvordan antibiotikaresistens udvikles.

I arkæernes – og for den sags skyld også bakteriernes – kamp mod fager opstår der inde i cellerne en suppe af arvemateriale fra ituklippet fag-RNA.

Denne suppe af RNA kan arkæerne eller bakterierne benytte i deres eget arvemateriale, hvis stumper af RNA viser sig at kunne beskytte mod forskellige former for antibiotika, som vi mennesker kan tænkes at sende i deres retning.

”Ved at forstå funktionen af mikroorganismernes forsvar mod fager kan vi også bedre forstå immunitet i bakterier, og hvordan bakterier sætter vores lægemidler ud af spillet. Derefter kan vi udvikle metoder til at bekæmpe udviklingen af antibiotikaresistens,” siger Guillermo Montoya.

Kan blive et bioteknologisk værktøj

Foruden at give en bedre forståelse af udvikling af immunitet i mikroorganismer kan kortlægningen af Cmr-β på sigt også finde anvendelse inden for bioteknologien eller i diagnose.

Det er dog endnu umuligt for forskerne at sætte fingeren på, hvad anvendelsen kan være, men det er de i færd med at kigge nærmere på.

Ligesom CRISPR-Cas9 har revolutioneret genteknologien, og andre CRISPR-Cas-systemer kan benyttes til eksempelvis at fjerne alt RNA og dermed alle proteiner i en celle for på den måde at studere celler på en helt ny måde, kan Cmr-β rumme et lignende potentiale.

”I fremtiden kan komplekset finde anvendelser, som vi lige nu slet ikke kan forestille os, men sådan er det nu en gang med grundvidenskabelige opdagelser. Der var heller ikke nogen, som for bare et år siden interesserede sig for coronavirus i flagermus, fordi man ikke kunne se, at denne slags virus kunne skabe en pandemi. Tingene kan ændre sig, og så kan noget, som man i dag har svært ved at se det interessante i, pludselig blive meget aktuelt eller meget anvendeligt,” siger Guillermo Montoya.

Structures of the Cmr-β complex reveal the regulation of the immunity mechanism of type III-B CRISPR-Cas” er udgivet i Molecular Cell. Flere af artiklens forfattere er ansat på Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research på Københavns Universitet. Guillermo Montoya modtog i 2019 en Distinguished Investigator-bevilling fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”GENED_2.0: From Molecular Mechanisms to the Next Generation of Genome Editing Tools”.

Guillermo Montoya
Research director, professor
The Montoya Group works to illuminate the molecular details of cellular processes. This knowledge is the basis for the understanding of diseases and the possible development of treatments. The group works in the interface between biology, physics and chemistry and uses molecular biology, X-ray crystallography and cryo-electron microscopy to dissect the working mechanisms of the macromolecules that constitute the cell’s machinery. Although these machines underlie all biological processes, there is a lack of knowledge of their function at the atomic level. “Our approach is to use advanced methodology to understand basic cellular mechanisms at an atomic level. We investigate the structural details and function of macromolecules involved in cell cycle progression and genome integrity. Deciphering the working mechanisms of these important processes provides the basis for understanding disease.” says Guillermo Montoya A recent leap in methodological development has overcome some of the barriers that avoided the study of large macromolecular complexes and allows for a degree of accuracy that has not been possible before. The Montoya group is part of this revolution and since 2017 the group has contributed to set up a state-of-the-art cryo-electron microscopy system that have accelerated their research.