CRISPR-Cas sistemleri, uyarlanabilir bir RNA kılavuzlu mekanizma kullanarak mikropları (bakterileri) viral enfeksiyondan koruyan, konakçı yani bakteri tarafından kodlanan yollardır.
CRISPR-Cas sistemleri, prokaryotlarda (bakteriler), virüsler ve plazmitler dahil istilacı kromozom dışı elementlere karşı direnç sağlar. Mikroplar, immünolojik bellek oluşturmak için yabancı genetik elementlerin parçalarını yakalar ve Cas1-Cas2 entegrasyonunu kullanarak bunları kendi genomik CRISPR dizisine dahil eder.
Bakteri hücresinde bulunanlar gibi fajlar (bakteri virüsleri), CRISPR sistemini konakçılarından yani içinde yaşadıkları bakterilerden çalmışlardır. Diğer bir ifade ile, CRISPR o kadar popüler ki virüsler bile kullanabilir. Binlerce virüs, bu gen kesme ve edit etme mekanizmasını bakterilerden çalmış gibi görünüyor.
Ünlü gen düzenleme aracı CRISPR, istilacı virüslere karşı bakteriyel bir savunma olarak başladı. Ancak amaçlanan hedeflerin virüslerin kendi cephanelikleri için CRISPR’ı çaldığı ortaya çıktı. Yeni bir çalışma, bakteriyofajlar (kısaca fajlar) olarak bilinen binlerce bakteri virüslerinin, CRISPR sisteminin genetik dizilerini içerdiğini ortaya koyuyor. Bu da onları rakip fajlara karşı konuşlandırabileceklerini düşündürüyor. Bulgu, moleküler silahlanmanın gücünün bir kanıtıdır ve CRISPR’yi bir laboratuvar gen düzenleyicisi olarak daha da değerli hale getirebilir.
Diğer virüsler gibi fajlar da kendi başlarına çoğalamazlar. Bunun yerine, bakterilerin moleküler makinelerini ele geçiriyorlar ve bu süreçte genellikle ev sahiplerini öldürüyorlar. CRISPR sistemi bakterilerin vürüslere karşı savaşmasını sağlar. Bakteriler, daha önce karşılaşılan fajların dizileriyle eşleşen “tekrarlayan DNA uzantılarını” içerirler. Aynı fajlar o bakteriye tekrar saldırırsa, fajın genomunu belirli yerlerden kesmek için genetik makas gibi davranan bir enzimi (Cas) yönlendirebilen RNA zincirlerini kodlamak için bu tekrarlayan DNA’yı kullanırlar. Yaklaşık son on yıldır, bilim adamları bu bağışıklık savunmasını, tahıl bitkilerinin savunmasını iyileştirmek, patojenleri tespit etmek ve kanser gibi hastalıklarla savaşmak da dahil olmak üzere sayısız kullanım için bir “gen düzenleme tekniği”ne dönüştürmek için çalışıyorlar.
CRISPR sisteminin bileşenlerini kodlayan karakteristik DNA, daha önce bir avuç fajda ortaya çıkmıştı. CRISPR sisteminin belirli dizileri hedeflemek için nasıl uyarlanacağını gösterdiği için 2020 Nobel Kimya Ödülü’nü paylaşan Berkeley’deki California Üniversitesi’nden (UC) yapısal biyolog Jennifer Doudna, “bu sistemlerin bakteriler dışında da yaygın olup olmadığını merak ettik” diyor.
Doudna ve meslektaşları bunu öğrenmek için faj dünyasında CRISPR örnekleri aramaya başladılar. Toprak ve insan ağzı da dahil olmak üzere virüsler için bakteriyel konakçılar açısından zengin çeşitli ortamlardan toplanan DNA’yı araştırdılar. Bilim adamlarının bugün Cell’de çevrimiçi olarak bildirdiğine göre, CRISPR sistemi DNA’sı içeren 6000’den fazla faj türünü ortaya çıkarıldı. Ayrıca çevrimiçi veritabanlarına gönderilen faj genom dizilerini de incelediler ve CRISPR taşıyan virüslerin daha da fazla örneğini buldular. Doudna, fajların %1’inden daha azının bu dizileri taşımasına rağmen, araştırmacıların “fajlarda bu kadar geniş bir anti-faj sistemi dağılımı” beklemediklerini söylüyor.
Fajlar neden onları engellemek için evrimleşen bir sisteme sahip olsunlar? Doudna, en olası sebebin rekabeti yenmek olduğunu söylüyor. Birden fazla virüsün bir bakteriye aynı anda saldırarak enfekte bir hücre içinde “faj savaşlarına” yol açabileceğini söylüyor. Bakteriler ayrıca, hücreleri onları kopyalamaya zorlayan plazmitler olarak bilinen hileli DNA zincirlerine karşı da savunmasızdır. Doudna, bu rakipleri CRISPR sistemiyle yok ederek, fajların “replikasyon mekanizmasını tamamen kendilerine ayırabileceklerini” söylüyor.
Fajların muhtemelen bu CRISPR sistem dizilerini mikrobiyal kurbanlarından çaldıklarını söylüyor. O zamandan beri, virüsler sistemleri kendi amaçları için özelleştirdiler. Örneğin, bazı fajlar, muhtemelen konakçılarını daha fazla faj üretmeye devam ettirmek için bakterileri öldürebilen belirli molekülleri üretme kapasitesini kaybetmiş görünüyor.
Fajların CRISPR hileleri yeni biyoteknolojiye ilham verebilir. Örneğin, CRISPR tabanlı yaklaşımların çoğu artık DNA’yı kesmek için Cas9 enzimine güveniyor. Ancak Cas9 o kadar büyüktür ki, hücreleri genetik olarak değiştirmek için kullanılan bazı virüslere sığamaz. Bununla birlikte, Doudna ve Banfield’ın ekibinin bulduğuna göre, bazı fajlar, “Cas-lambda” olarak bilinen ve yaklaşık %50 daha küçük olan, küçük bir Cas versiyonuna sahiptir.
Bilim Blogu: Zor Olanı Sormak! 