Учёные использовали суперкомпьютеры TACC для первого всеатомного моделирования редактирования генома в действии

CRISPR/Cas9 — один из самых обсуждаемых биологических прорывов последнего десятилетия, позволяющий изменять ДНК и потенциально устранять причины наследственных заболеваний.

Изначально это часть иммунной системы бактерии Streptococcus pyogenes. В естественном состоянии белок Cas9 распознаёт чужеродные последовательности ДНК и инактивирует их. Система CRISPR (короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) содержит записи о прошлых встречах с вирусной ДНК и использует направляющую РНК для её узнавания.

Исследователи поняли, что, изменив последовательность направляющей РНК, можно использовать систему для разрезания любой выбранной последовательности ДНК и вставки новых фрагментов. Метод был разработан Дженнифер Даудной и Эмманюэль Шарпантье.

Однако создание целевых мутаций с помощью CRISPR/Cas9 остаётся дорогим, трудоёмким и подверженным ошибкам процессом, отчасти из-за неполного понимания его работы на молекулярном уровне.

В ноябре исследовательская группа под руководством Цзинь Лю из Университета Северного Техаса (UNT) использовала суперкомпьютер Maverick в Техасском центре передовых вычислений (TACC) для проведения первых всеатомных молекулярно-динамических симуляций процесса разрезания ДНК, катализируемого Cas9.

Симуляции, описанные в Nature Scientific Reports, позволили:

• Наблюдать изменения в ферменте Cas9 с фемтосекундным разрешением.
• Увидеть переход системы в активное состояние с участием ионов Mg²⁺, которые, как предполагается, облегчают сближение активных сайтов Cas9 и ДНК.
• Включить 280 000 взаимодействующих атомов. Для надёжности результатов было выполнено несколько длинных (200–300 наносекунд) и коротких (60 наносекунд) параллельных симуляций.

Ключевые выводы моделирования:

1. Место разреза: Симуляции показали, что разрез происходит не в том положении, которое считалось основным. Это открывает возможность для создания более эффективного фермента, разрезающего ДНК более специфично.
2. Тип концов ДНК: Ранее было неясно, создаёт ли Cas9 после разреза тупые или «липкие» (ступенчатые) концы. Симуляции подтвердили образование «липких» концов, что критически важно для редактирования генов, так как такие концы легче контролировать.

Работа закладывает основу для понимания механизма Cas9, что необходимо для повышения специфичности и эффективности фермента — ключевых проблем для терапевтического применения.

Исследование может помочь в тонкой настройке инструмента для будущего использования в лечении генетических заболеваний человека. В 2015 году учёные объявили мораторий на редактирование наследуемого человеческого генома с помощью CRISPR/Cas9, сославшись на недостаток знаний. Работы, подобные этой, могут приблизить момент, когда технология станет безопасной и осуществимой для применения в медицине.