Pärilikkusaine muutmiseks kasutatavad tehnoloogiad on viimase 15 aasta jooksul hüppeliselt arenenud. Lõika-ja-kleebi tööriistana toimiv CRISPR-Cas9 süsteem muutis genoomis muudatuste tegemise eelnevast märksa lihtsamaks ja odavamaks, võimaldades viimaks DNA-d täpselt soovitud kohast lõigata. Kuigi tööriist tekitas ikka ja jälle ise mutatsioone või sattusid lisandused valesse kohta, on viinud see praeguseks mitmete pärilike haiguste leevendamiseks kasutatavate teraapiateni ning edusammudeni vähiravis.

Samal ajal on CRISPR-i järjest täiustatud. Uuem tehnoloogia võimaldab muuta nii üksikuid geenikoodi tähti kui ka lisada genoomi pikemaid lõike DNA topeltahelat eelnevalt lõikamata. Viimane maandas muu hulgas geenimutatsioonide tekkega seonduvaid riske. Nüüd ajakirjas Science kirjeldatud tööriist viib selle uuele tasemele. Suunatud evolutsiooni abil jõudsid USA teadlased ensüümideni, mis võimaldavad sisestada genoomi uusi geene võrreldes eelnevate sarnaste lahendustega enam kui 400 korda tõhusamalt.

Massachusettsis asuva Broadi instituudi teadlaste töö toetub CRISPR-iga seotud transposaasidele (CAST). Samu ensüüme seostatakse nn hüppavate geenidega ehk DNA järjestustega, mis suudavad genoomist ühest kohast teise liikuda. David Liu leidis kolleegidega võimaluse siduda need juhtmolekuliga, mis toimib justkui molekulaarse GPS-iga. Kui CRISPR-Cas osa sihtmärgi leiab, värbab see CAST-ensüümide kompleksi. Kohale jõudes sisestab see sihtkohta uue DNA lõigu.

Teadlased on proovinud sarnaseid bakteritelt laenatud süsteeme kasutada imetajaterakkudes varemgi. Eelnevates katsetes leiti aga, et looduslikud või vaid vähesel määral kohandatud ensüümid suutsid soovitud geneetilist materjali lisada vaid vähestesse sihikule võetud rakkudesse. Sageli jäi nende tõhusus 0,1 protsendi juurde või isegi alla selle.

Siinkohal tulebki mängu suunatud evolutsioon. Paremini toimivate ensüümide leidmiseks lõi Liu kolleegidega huvipakkuvast valgust suure hulga erinevaid variante ehk mutante. Seejärel pani töörühm need proovile faagide ehk baktereid nakatavate viirustega, sidudes CAST-ensüümi tõhususe nende eluvõimega. Mida paremini ensüüm töötas, seda edukamalt sai faag paljuneda. Sel moel suutis töörühm sadade põlvkondade seast parimad ensüümid välja valida vaid mõne päevaga.

Nende toel loodud süsteem suutis eri rakutüüpides sisestada geene 10–30 protsenti töödeldud rakkudesse. Mõnel juhul, näiteks teatud naharakkude puhul ulatus tõhusus isegi kuni 38 protsendini. Teadlaste hinnangul on see seni kõrgeim CAST-vahendatud geenide sisestamise tõhusus, mida inimese genoomi sihtmärkide puhul on kirjeldatud

Teadlased sihtisid katsetes geene, mis on seotud pärilike haigustega nagu Fanconi aneemia, Rett'i sündroom, fenüülketonuuria ja X-liiteline raske kombineeritud immuunpuudulikkus. Samuti tegid nad katseid maksarakkudega, mis võiks sillutada teed hemofiilia raviks sobiliku valkude asendusteraapiani. Korraga pikkade pärilikkusainelõikude lisamine tähendab Liu sõnul, et iga kindla mutatsiooni jaoks pole tarvis välja töötada eraldi parandusstrateegiat. Piisab vaid sellest, kui vigasest geenist tingitud puudujääki kompenseerida suudetakse.

Kuigi esmapilgul võib tunduda genoomi lisageenide lisamine ohtlikuna, on võimalik töörühma riske maandada. Selleks valisid nad välja piirkonnad, kuhu uue DNA lisamine ei tohiks häirida teisi rakulisi funktsioone. Muudetud geene täpsemalt uurides leidsid teadlased, et uued pärilikkusaine lõigud lõimiti genoomi ühe aluspaari täpsusega. Teisisõnu täpselt seal, kus teadlased seda näha tahtsid.

Enne evoCAST laialdasemat terapeutilist kasutuselevõttu tuleb töörühma sõnul lahendada siiski mitmeid probleeme. Uuringus tegid teadlased katseid laboritingimustes kasvatatud rakkudega. Geenide keha sees asuvatesse rakkudesse toimetamine on hulga raskem. Samuti tuleb Liu ja ta kaasautorite sõnul põhjalikumalt uurida, kui sageli satuvad lisatavad DNA-lõigud genoomis valesse kohta ja kuidas lisageenid pikemaajaliselt käituvad.

Uuring ilmus ajakirjas Science.