In uno studio pubblicato su Advanced Science , i ricercatori dell'Università di Hiroshima e dell'Istituto nazionale giapponese di scienza e tecnologia industriale avanzata dimostrano come i sistemi di assemblaggio modulare basati sull'apprendimento automatico possono migliorare l'editing genetico.

"L'editing del genoma è uno strumento promettente per il trattamento delle malattie genetiche in numerosi campi diversi", ha affermato Shota Katayama, professore associato presso il Genome Editing Innovation Center dell'Università di Hiroshima. "Migliorando l'efficienza delle tecnologie di editing genetico, possiamo ottenere una maggiore precisione nelle modifiche alle informazioni genetiche nelle cellule viventi."

Insieme a CRISPR/Cas9 e TALEN, la nucleasi zinc finger è uno strumento importante nel campo dell’editing genomico. Progettate per rompere determinati legami all'interno della catena polinucleotidica di una molecola di DNA, queste proteine ​​chimeriche sono costituite da due domini fusi insieme:domini di legame del DNA e domini di scissione del DNA. Il dominio di legame della proteina zinc finger (ZF) riconosce la sequenza di DNA mirata all'interno del genoma completo, mentre il dominio di scissione coinvolge uno speciale enzima che taglia il DNA chiamato endonucleasi ND1.

Gli ZFN presentano alcuni vantaggi rispetto a CRISPR/Cas9 e TALEN:in primo luogo, a differenza di CRISPR-Cas9, i brevetti per ZFN sono già scaduti, precludendo elevate royalties sui brevetti per applicazioni industriali. In secondo luogo, gli ZFN sono più piccoli, consentendo al DNA che codifica per ZFN di essere facilmente confezionato in un vettore virale con spazio di carico limitato per applicazioni cliniche e in vivo.

Per tagliare il DNA, due ZFN devono essere legati. Pertanto, devono essere progettati in coppia per essere funzionali in qualsiasi nuovo sito. Tuttavia, la costruzione di ZFN funzionali e il miglioramento della loro efficienza nell'editing del genoma si sono rivelati impegnativi.

"Abbiamo fatto enormi passi avanti nei metodi per derivare set di dita di zinco per nuovi obiettivi genomici, ma c'è ancora spazio per migliorare i nostri approcci alla progettazione e alla selezione", ha affermato Katayama.

I metodi basati sulla selezione possono essere utilizzati per costruire proteine ​​ZF assemblate, ma questi metodi richiedono molto lavoro e richiedono molto tempo. Un approccio alternativo per costruire proteine ​​ZF assemblate è l'assemblaggio di moduli ZF utilizzando tecniche di biologia molecolare standard. Questo metodo fornisce ai ricercatori un metodo molto più semplice per costruire proteine ​​ZF assemblate.

Tuttavia, gli ZFN assemblati in modo modulare hanno un numero limitato di coppie ZFN funzionali con un tasso di guasto del 94% per le coppie ZFN testate.

Nel loro studio, i ricercatori dell'Università di Hiroshima e dell'Istituto nazionale giapponese di scienza e tecnologia industriale avanzata miravano a creare una nucleasi dito di zinco più efficiente e facilmente costruibile per l'editing genetico utilizzando risorse disponibili al pubblico in un sistema di assemblaggio modulare.

Una considerazione importante nella progettazione degli ZFN è il numero di dita di zinco necessarie per una scissione efficiente e specifica. Il team ha ipotizzato che l'assemblaggio modulare dei moduli ZF sarebbe utile per costruire ZFN con cinque o sei dita.

Nella loro pubblicazione, il gruppo di ricerca ha presentato un metodo per aumentare l'efficienza della costruzione di ZFN funzionali e il miglioramento della loro efficienza di modifica del genoma utilizzando tre strumenti di modellazione di biomolecole:AlphaFold, Coot e Rosetta.

Dei 10 ZFN testati, i ricercatori hanno ottenuto due coppie funzionali. Inoltre, l'ingegneria degli ZFN utilizzando AlphaFold, Coot e Rosetta ha aumentato l'efficienza dell'editing del genoma del 5%, dimostrando l'efficacia dell'ingegneria degli ZFN basata sulla modellazione strutturale.