Fréttir

Byltingakennd nýjung í erfðabreytingum hitakærra iðnaðarörvera

Tengiliður

Björn Þór Aðalsteinsson

Verkefnastjóri

bjornth@matis.is

CRISPR-Cas tæknin hrundi af stað byltingu í líftækni fyrir fáeinum árum. Með tækninni má framkvæma erfðabreytingar með einföldum og fljótlegum hætti í frumum flestra lífvera. Tæknin náði þó ekki til lífvera sem lifa við hátt hitastig sökum þess að upprunaleg útgáfa CRISPR-Cas „tólsins” byggir á ensími sem missir virkni sína við hátt hitastig. Vísindamenn Matís hafa nú, í tengslum við rannsóknarverkefnið ThermoTools, hannað hitastöðugt CRISPR-Cas kerfi.

Verkefnið ThermoTools hófst árið 2019 og er leitt af Birni Þór Aðalsteinssyni, verkefnastjóra hjá Matís. Verkefnið vann hann í samstarfi við Elleke Bosma hjá Tækniháskólanum DTU í Danmörku, og fékk til þess styrk frá rannsóknasjóði Rannís. Við ræddum við Björn Þór um framvindu verkefnisins og tækifærin í erfðabreytingum á hitakærum örverum.

ThermoTools hefur það að markmiði að þróa kerfi og tól til þess að unnt sé að erfðabreyta hitakærum örverum.

Þau tól sem til eru í dag eru alla jafna flókin og notkun þeirra krefst mikillar vinnu og mikils tíma. Þetta hefur hindrað rannsóknir á lífverum sem lifa við hátt hitastig, bæði hvað varðar grunnlíffræði þeirra sem og hagnýta notkun þeirra.

CRISPR-Cas tæknin var fyrst kynnt árið 2012 og má segja að þar með hafi byltingu í líftækni verið hrundið af stað. Með tækninni má framkvæma erfðabreytingar með einföldum og fljótlegum hætti í frumum svo til hvaða lífveru sem er. Þessi byltingakennda tækni náði hins vegar ekki til lífvera sem lifa við hátt hitastig vegna þess að upprunaleg útgáfa CRISPR-Cas tólsins byggir á ensími sem missir virkni sína við hátt hitastig.

Í ThermoTools var lagt upp með að hanna nýtt CRISPR-Cas kerfi sem nota mætti við há hitastig, a.m.k 60°C.

Hverjir hagnast á verkefnavinnu sem þessari og hverjum mun tæknin og CRISPR-Cas tólið nýtast?

Í fyrsta lagi gagnast rannsóknin vísindafólki sem rannsakar hitakærar örverur í grunn-vísinda eða hagnýtum tilgangi.

Örverur eru nýttar til ýmiss konar iðnaðarefnaframleiðslu. Þær eru ræktaðar á stórum skala (tugir eða hundruðir lítra) og efni sem myndast við vöxt þeirra einangruð. Afurðir þeirra eru m.a. lífeldsneyti (t.d. etanól og metan), lífrænir leysar (t.d. acetón, og bútanól), lyf (t.d. sýklalyf), ensím (m.a. notuð í hreinsiefni, ostaframleiðslu og bakstur), vítamín og litarefni (t.d. astaxanthin).

Örverur eru notaðar í ýmis konar matvælagerð, m.a. osta, bjór, vín, jógúrt, skyr, sojasósu, brauð, súrsað grænmeti, o.fl.

Notkun hitakærra örvera í þessum tilgangi hefur ekki náð fótfestu hingað til, m.a. vegna vöntunar á skilvirkum tólum til erfðabreytinga þeirra. Notkun þeirra í þessum tilgangi kann hins vegar að hafa ýmsa kosti í för með sér, meðal annars vegna þess að leysni efna eykst og efnahvörf eru almennt hraðari við hátt hitastig, sem ýtir undir skilvirkni slíkra ferla.

Við ræktun örvera til iðnaðar efnaframleiðslu verða almennt töluverð afföll á framleiðslunni vegna vaxtar spilli-örvera, sem sagt utanaðkomandi örverustofna sem taka sér bólfestu í örveruræktinni. Leiða má að því líkum að draga mætti verulega úr slíkum afföllum með notkun hitakærra örvera sökum þess að spilli örverurnar eru ófærar um að vaxa við hátt hitastig.

Hjá Matís eru stundaðar rannsóknir með það að markmiði að þróa hitakæra örverustofna sem nota má til iðnaðarframleiðslu lífeldsneytis, andoxunarefna, o.fl. Afurðir ThermoTools verkefnisins munu virka sem hvati inn í þessi verkefni og gera flóknar erfðabreytingar mögulegar, sem áður var ekki hægt að framkvæma. Afurðirnar hafa jafnframt verið gerðar aðgengilegar fyrir aðra vísindamenn sem þannig geta beitt þeim í samskonar tilgangi – til að einfalda vinnu sína sem snýr að erfðabreytingum hitakærra örvera.

Hver eru næstu skref í verkefninu ThermoTools?

„Verkefnið er enn í vinnslu en við höfum þó þegar hannað hitakært CRISPR-Cas9 kerfi og sannreynt að kerfið má nota til að erfðabreyta lífverum sem lifa við a.m.k. 65°C.”

Fyrstu niðurstöður verkefnisins voru birtar nýlega í vísindagrein í tímaritinu Scientific Reports en hana má lesa í heild sinni hér: Efficient genome editing of an extreme thermophile, Thermus thermophilus, using a thermostable Cas9 variant. Björn Þór kynnti niðurstöðurnar auk þess á Genome Engineering: CRISPR Frontiers ráðstefnunni fyrr í þessum mánuði. Þar var um að ræða ráðstefnu á vegum Cold Spring Harbor Laboratories sem skipulögð var af Jennifer Doudna en hún hlaut Nóbelsverðlaun fyrir rannsóknir sínar á CRISPR Cas kerfum árið 2020.

Einnig verður unnið að aðlögun kerfisins til erfðabreytinga í fleiri lífverum. „Þessa stundina erum við að aðlaga kerfið til erfðabreytinga í Rhodothermus marinus og Thermoanaerobacterium AK17. Við höfum nú þegar lýst virkni kerfisins í módel lífverunni Thermus thermophilus. R. marinus og AK17 eru báðar hitakærar bakteríur og eru m.a. rannsakaðar m.t.t. framleiðslu etanóls og lýkópens,” segir Björn Þór.

Svipgerð bakteríunnar Thermus thermophilus fyrir og eftir erfðabreytingu. CRISPR-Cas9 tólið sem við hönnuðum var notað til að fjarlægja gen úr erfðamengi bakteríunnar. Genið tjáir fyrir ensími sem nauðsynlegt er bakteríunni til að mynda litarefni sem gefur henni sinn náttúrulega gula lit. Erfðabreyttu bakteríurnar eru því hvítar, en óerfðabreyttar gular.

Eftir því sem verkefninu vindur fram verður verkefnasíða ThermoTools uppfærð og áhugasamir geta fylgst með því hér: Þróun CRISPR-Cas kerfa til erfðabreytinga hitakærra örvera sem nýttar eru til grunn- og hagnýtra rannsókna og á ensku hér: ThermoTools. Einnig má finna fróðleiksmola og lifandi myndefni af verkefninu á Instagram síðu Matís hér: Instagram.com/matis.

Verkefni á borð við ThermoTools eru unnin af líftæknifaghóp Matís. Ef þú hefur áhuga á að kynnast starfsemi hópsins frekar má horfa á kynningu á líftækni og lífefnum hér: Áherslufundur – Líftækni og lífefni.

Á næstu dögum mun einnig koma út nýr þáttur af Matvælinu, hlaðvarpi Matís um rannsóknir og nýsköpun í matvælaframleiðslu. Þar mun Björn Þór ræða ThermoTools verkefnið auk fleiri verkefna sem hann hefur unnið að og setja þessi mál í samhengi við iðnað og atvinnulíf með fleiri viðmælendum.