CRISPR Modeli Fajın Birlikte Evrimini Kafa Karıştırıcı Deneysel Sonuçları İle Açıklıyor
Rice üniversitesi bir çalışmasında; CRISPR gen düzenleme modeli kullanarak dizayn edilmiş bağırsak bakterisi üretmeyi planlayan araştırmacılar, mikrobiyal bağışıklık sisteminin dinamik evrimini hesaba katmaları gerekebileceğini önermektedir.
Michael Deem . Credit: Jeff Fitlow/Rice University
CRISPR; bakteri ve diğer tek hücreli organizmaların kendilerini, fajlar olarak adlandırılan virüslerden korumak için DNA’nın küçük parçacıklarını depolamasına olanak tanıyan sonradan kazanılmış bir bağışıklık sistemidir. Sistem, bir hücrenin daha önce savaştığı fajlara karşı "hatırlama şeklinde" bir savunmanın yerleştirilmesine izin verir.
2012'den başlayarak, bilim adamları CRISPR proteinlerinin yalnızca bakterilerin değil, hayvanların ve insanların genomlarını da tam olarak düzenlemek için kullanabileceklerini keşfettiler. O keşif Science dergisinin 2015 yılı yılın buluşu ödülünü aldı ve sonunda bilim insanlarının genetik hastalıkları olan insanların hücrelerini yeniden programlamasına olanak tanıdı.
Genomları düzenlemek için CRISPR kullanımındaki hızlı gelişmelere rağmen, bilim adamları hala CRISPR savunmasının bakterilerde ve diğer tek hücreli prokaryotik organizmalarda nasıl evrimleştiğine dair pek çok sorunun cevabını bulmaya devam ediyor. Rice'tan fizikçi ve biyomühendis olan Michael Deem, ilk olarak 2010'da CRISPR çizdi ve CRISPR'nin iç işleyişini keşfetmek için bir dizi bilgisayar modeli yarattı.
Royal Society Interface dergisindeki yeni bir araştırmada, Deem ve eski lisansüstü öğrencisi Pu Han; fajlar ile bakteriler arasında değişken ince bir etkileşim vardır ve birbirleriyle ne sıklıkla karşılaşmalarına bağlı olarak, her birinin nasıl birbirlerine karşı hızlı bir savunma geliştirdiklerini buldular. Çalışma, bakteri ve fajlar arasında garip bir hayatta kalma-yok olma modelini belgeledi ve CRISPR araştırmacılarının önüne taş koyan görünüşte çelişkili olan deneysel sonuçları açıklamaya yardımcı oldu.
Deem: “Bakteri ve fajlar arasında ortak bir evrim var.” “Bakteriler, fajlardan DNA alırlar ve bu durum bakterilerin veya yavrularının bu fajlara karşı korunmasını sağlar.”
Yaşayan tüm canlı şeyler gibi fajlarda sürekli evrimleşirler ve sadece tek hücreli organizmalara saldırırlar. Deem, mutasyon geçirme hızını ve DNA dizilimini değiştirme oranının, CRISPR'nin onları tanımasının ve onlarla savaşmasının ne kadar iyi olabileceğini etkileyebilecek, bir değişken olduğunu söyledi. CRISPR modellemesinde dikkate alınması gereken bir başka faktör, faj DNA'sının depolanması için sınırlı alan olmasıdır. CRISPR sürekli olarak yeni parçalar alıyor ve eski parçaları dışarı atıyor. Ek bir parametre, karşılaşma oranı veya bakterilerin ve fajların ne sıklıkta temas ettiğidir.
Deem: “Sonuçları bu parametreleri içeren basit bir modelden planlarsak üç bölgeye indiririz; CRISPR’ni kazandığı fajın kaybettiği, fajın kazandığı CRISPR’nin kaybettiği ve ikisinin birlikte var olduğu.”
Fizikçiler, sistem dinamiklerini incelemek için bu tür faz diyagramlarını kullanırlar. Karşılaşmalarını ve mutasyon oranlarını değiştirerek bilim adamları, belirli kombinasyonların, sistemi bir aşamadan diğerine nasıl yönlendirdiğini keşfedebilirler.
Yeni çalışmada, Google'ın yazılım mühendisi olan Deem ve Han Karşılaşma ve mutasyon oranlarının bazı kombinasyonlarının beklenmedik bir sonuç verdiğini bulmuşlardır, CRISPR ekle-bırak oranı ve bakterilerin fajlara maruz bırakılma oranı arasında karmaşık bir etkileşim sayesinde, beş bölge faz diyagramında fajların iki kere geliştiği ve iki kere neredeyse öldüğünü.
Deem: “Genellikle, yüksek oranda maruz kalmanın, CRISPR bağışıklık sisteminin fajları yok etmesine neden olacağını düşünebiliriz, çünkü CRISPR fajların DNA'larının geçerli bir kopyasına sahip olacak kadar sık karşılaşmıştır.” “Faz diyagramımızda bunu bölge dört olarak belirtiyoruz ve ilk ilginç bulgu, bu durumda yok olma olasılığı yüksekken, her zaman, fajların kaçıp tükeneceğini hesaplayabileceğimiz bir olasılık var.” Bu doğal değişkenlikle ilgilidir.
İkinci nokta, fajların bakterilere maruz kalma oranını düşürdüğümüz ve bakterileri ünite başına enfekte eden faj sayısı azaldıkça bakterilerin, fajlardan DNA edinme fırsatları azaldığından, fajlar ve bakteriler artık birlikte var olabilirler. Biz buna bölge üç diyoruz. Yani, yok olmaktan yok olmamaya geçtik, şimdi de birlikte var olabiliriz. Bu çok mantıklı bir beklentidir.
“Şaşırtıcı bir şekilde, maruz kalma oranını daha da düşürdüğünü bulduk - bakterilerin artık DNA'yı CRISPR'ye kopyalamak için daha az fırsatları olduğu bir durumda - fajların yok olmasına neden olan bir başka safhayla sonuçlandı. Bölge iki. Ve insanlar bunu beklememişlerdi”
Bu sonucun incelenmesinde, Deem ve Han, ikinci yok oluş olayının meydana geldiğini tespit ettiler çünkü enfeksiyon oranı ve bakteri gelişme oranı aynıydı ve fajlar için bağışıklık kazanmış herhangi bir bakteri, tüm bakteri ve fajları rekabet dışı bırakmak için yeterince hızlı bir şekilde üreyecektir. Bu yok oluş olayında, CRISPR'deki viral DNA'nın tek bir kopyası bakterilerin fajları yenmesine izin verdi. Bu bölge dörtten farklıydı - yüksek maruz kalma durumu - CRISPR'deki birçok DNA kopyası, çoklu bakteri türlerinin fajları yenmesine olanak tanıdı.
Deem, sonuçların CRISPR araştırma topluluğunun kafasını karıştıran önceki deney sonuçlarını açıklamasına yardımcı olduğunu söyledi.
Deem: “CRISPR'in fajları kontrol edip etmediği ve hangi koşulların bir arada var olmayı yönlendirdiği yönünde bazı tartışmalar var. Bunun nedeni, çeşitli deneylerin, bölge iki, üç ve dörtten sonuçlar üretmesidir. Sonuçlarımız olasılık aralığını açıklığa kavuşturuyor ve bu aralığın en azından kısmen ölçülmüş olduğunu teyit ediyor.”
Deem, bulguların sadece CRISPR'nin bakteriyel ve prokaryotik sistemlerdeki kullanımı için geçerli olduğunu söyledi. Araştırmacılar CRISPR gen düzenleme araçlarını bu organizmaları veya onları etkileyen fajları değiştirmek için kullanmaya çalışıyorlarsa dinamikleri hesaba katılmalıdırlar. Örneğin, insanlar sonunda yararlı bağırsak bakterileri topluluğu olan mikrobikomu ve fajları insanların sağlıklı kalması için düzenlemeye başlayacak. İnsanları daha sağlıklı hale getirmek, örneğin obezite veya ruh halini kontrol altına almak için, mikrobiyom üzerine büyük miktarda biyomühendislik çalışması yapılmaktadır. Faj-mikrobiyom etkileşiminin biyomühendisliği ile ilgilenenler için, bu birlikte evrim inceliklerini hesaba katmak önemlidir.
Çeviren: Barış Uçar Bilime Yön Veren Cevaplar
Kaynaklar: https://phys.org/news/2017-02-crispr-phage-co-evolution-experimental-results.html#nRlv 03.03.2017
More information: Pu Han et al, Non-classical phase diagram for virus bacterial coevolution mediated by clustered regularly interspaced short palindromic repeats, Journal of The Royal Society Interface (2017). DOI: 10.1098/rsif.2016.0905
Journal reference: Science Journal of the Royal Society Interface
Provided by: Rice University