Oamenii de știință s-au folosit de editarea ADN-ului ca să creeze gândaci mutanți

Pentru prima oară în istorie, oamenii de știință au editat genele gândacilor folosind CRISPR-Cas9, o tehnologie care poate ținti și schimba părți din ADN-ul unui organism, spune un nou studiu. 

Descoperirea nu numai că a produs primii așa-numiții „gândaci knockout” din istorie, un termen care se referă la gândaci cu gene inactivate artificial, ci ar putea, de asemenea, simplifica dramatic editarea genelor la multe alte insecte, cu aplicații pentru controlul dăunătorilor, biologia evolutivă și alte domenii entomologice. 

CRISPR-Cas9, denumită adesea CRISPR, este o tehnică de introducere artificială a secvențelor ADN într-un organism pentru a manipula cu precizie locațiile selectate din genomul său. Tehnologia aceasta a revoluționat genetica, a permis o serie de noi perspective asupra biologiei evoluționiste și a căilor de tratament al bolilor, și a câștigat Premiul Nobel pentru Chimie în 2020. 

Oamenii de știință au editat deja genele unor insecte prin microinjectarea de materiale CRISPR în embrioni în timp ce se dezvoltă. Cu toate astea, tehnica nu a putut fi aplicată unui număr mare de specii, inclusiv gândacilor, care au embrioni inaccesibili - până acum. 

Cercetătorii conduși de Yu Shirai, un om de știință de la Universitatea Kyoto, au depășit această constrângere prin injectarea materialelor genetice în gândaci adulți de sex feminin, o abordare pe care echipa o numește „parental direct” CRISPR (DIPA-CRISPR), conform unui studiu publicat luni în Cell Reports Methods. 

Cercetătorii au demonstrat cu succes că atât descendenții de cărăbuși, cât și de gândaci au avut gene modificate artificial atunci când mamelor lor au fost injectate și că descendenții de gândaci „mutant” au transmis de asemenea mutațiile artificiale generației următoare după ce s-au împerecheat. 

„Cu peste un milion de specii descrise, insectele sunt un tezaur de diversitate și reprezintă, ca instrumente de cercetare, oportunități nemărginite pentru a răspunde întrebărilor fundamentale din biologie”, a spus echipa lui Shirai în studiu. „Abordările actuale pentru editarea genelor la insecte presupun microinjectarea de materiale în embrionii timpurii, lucru care este deosebit de dificil pentru majoritatea speciilor. În acest studiu am stabilit și optimizat o metodă simplă și eficientă pentru editarea genelor de insecte prin injectarea adulților, care poate fi implementată cu ușurință în orice laborator și aplicată direct la o mare diversitate de specii de insecte non-model.”

Oamenii de știință s-au chinuit să aplice CRISPR gândacilor fiindcă aceste insecte își protejează ouăle fertilizate în învelișuri tari timp de zile sau săptămâni, până când eclozează puii. Ca urmare a acestui „sistem unic de reproducere, este imposibil să se injecteze materiale în embrioni foarte timpurii” și astfel „manipularea genetică a gândacilor (adică transgeneza sau editarea genelor) nu a fost realizată până acum”, potrivit studiului. 

Echipa lui Shirai a fost inspirată să încerce injectarea de materiale genetice în gândacii maturi de sex feminin, spre deosebire de embrioni, de studii similare care au aplicat această tehnică la țânțari și la viespi. După ce au realizat mai multe experimente în care au introdus gene pentru culoarea ochilor în speciile de gândaci Blattella germanica, echipa a descoperit că 21,8 la sută dintre descendenți au moștenit mutațiile artificiale, „ceea ce a permis apariția primei linii de gândaci knockout”, raportează studiul. 

Mai mult, cercetătorii au descoperit că atunci când DIPA-CRISPR a fost aplicat gândacului roșu de făină, Tribolium castaneum, până la 50 la sută dintre urmași au moștenit genele mutante. Echipa a produs, de asemenea, gândaci „knockin”, adică descendenți care poartă genele introduse artificial în ADN-ul lor, spre deosebire de organismele knockout care poartă gene inactivate artificial. 

Rezultatele oferă un model pentru viitoarele studiile cu alte insecte, lucru care ar putea rezulta în noi informații despre poveștile evolutive complexe ale acestor nevertebrate, precum și aplicații pentru managementul dăunătorilor. 

„Aplicarea cu succes a DIPA-CRISPR la două specii de insecte îndepărtate evolutiv ne oferă o idee despre generalizarea sa”, a concluzionat echipa lui Shirai în studiu. „Datorită simplității și accesibilității sale, DIPA-CRISPR va extinde foarte mult aplicarea tehnologiei de editare a genelor la o mare varietate de insecte model și non-model, inclusiv la dăunători agricoli și medicali globali/locali ale căror genomuri nu au fost manipulate în niciun fel.”