Illusrtation av gensax

Så används Nobelmetoden i praktiken på Chalmers

Forskarna bakom gensaxen CRISPR-Cas9 tilldelas årets Nobelpris i kemi. Men varför anses tekniken vara så banbrytande och hur används den? Vi ställde frågan till forskarna på institutionen för biologi och bioteknik. 

Charpentiers och Doudnas ​teknik har verkligen revolutionerat biovetenskapen. På bara åtta år har den gått från upptäckt till att bli ett verktyg som används som ett standardredskap i molekylärbiologilaboratorier över hela världen ​− även hos oss på institutionen för bio​logi och bioteknik. Nobelpris går ju vanligtvis till upptäckter som gjorts längre tillbaka i tiden och som behövt mer tid på sig att vinna mark, säger Elin Esbjörner, docent i kemisk biologi, vars forskning kretsar kring proteiners aggregationsmekanismer och amyloid-bildning i neurodegenerativa sjukdomar.​

Hur fungerar CRISPR-Cas9?

Kort beskrivet fungerar geneditering med CRISPR-Cas9 så här: 

​Enzymet Cas9 är saxen som kan klippa DNA. För att saxen ska klippa på rätt ställe i genomet tillverkas en bit RNA, en enkelsträngad molekyl som passar ihop med en sekvens på DNA-molekylen som ska klippas, och det är den sekvensen som guidar Cas9 till målet. 

Guidningen sker med hög precision, och klippet gör det möjligt att stänga av vissa gener – och därmed vissa funktioner i cellerna – eller att klistra in nya gener vilket ger cellerna nya egenskaper. 

Forskning kring ALS och distribution av genläkemedel

Elin Esbjörner Vi använder gensaxen för att märka celler så att de protein vi specifikt vill studera blir självlysande. Vi klipper in en gensekvens som förlänger proteinet med en så kallad fluorescerande, ljusemitterande, markör. På så sätt kan vi studera proteinet direkt i levande celler med hjälp av mikroskopi. Detta är ett mycket kraftfullt sätt för att förstå biologi och hur kroppen fungerar. Vi använder våra gensaxmodifierade cellmodeller för att undersöka ett protein som orsakar den neurodegenerativa förlamningssjukdomen ALS (amyotrofisk lateralskleros), men också för att studera hur genläkemedel tas upp och distribueras inuti celler, säger Elin Esbjörner

Hon säger att gensaxen framförallt ger fler möjligheter att mer finstämt kunna undersöka varför vissa människor drabbas av neurodegenerativa sjukdomar, så som Parkinson och Alzheimers. 

Nu kan vi kan jobba med mer sjukdomsrealistiska modeller. Tidigare var vi tvungna att modifiera våra cellmodeller med en metod som gör att de protein vi studerar uttrycks i för höga koncentrationer. Då finns alltid en viss risk för att de höga koncentrationerna inte tillräckligt väl representerar vad som verkligen händer i hjärnan hos den som blir sjuk.

Ny Wallenberg Academy Fellow vill förhindra demenssjukdomar​

Utveckling av effektiva cellfabriker

Florian DavidFlorian David, forskarassistent på avdelningen för systembiologi, har ett helt annat användningsområde för gensaxen: utveckling av cellfabriker. 

En cellfabrik är en mikroorganism, ofta jäst, som kan anpassas genetiskt för storskalig och hållbar produktion av en mängd eftertraktade ämnen, till exempel biobränslen, läkemedel och kemikalier. För att dessa cellfabriker ska kunna användas industriellt måste de vara mycket livskraftiga, produktiva och effektiva, under industriella förhållanden. 

Florian Davids forskargrupp utvecklar nya CRISPR-baserad verktyg för att effektivt kunna skapa stammar av bagerijäst, Saccharomyces cerevisae, för hållbar produktion av kemikalier och nya läkemedel. 

Cellfabrikerna som utvecklas optimeras genetiskt för att fermentera förnybara sockerkällor, till exempel avfall från träindustri. Under fermenteringsprocessen, eller jäsningen, tillverkar cellerna de eftertraktade produkterna. Cellfabriker kan vara en nyckel i övergången från en oljebaserad till en biobaserad industri, men en av de stora utmaningarna är att göra produktionen kostnadseffektiv.

För mig är effektiviteten och precisionen den stora fördelen när jag använder CRISPR-Cas9. Vi vill inte ha långa utvecklingscykler för att det kostar för mycket − både tid och pengar. Den här tekniken har snabbat på utvecklingen och optimeringen av mina jäststammar avsevärt, säger Florian David. 

Han menar att det ur ett samhälls- och miljöperspektiv är viktigt att utvecklingen av dessa cellfabriker går snabbt och kostar mindre för industrin. 

 Lyckas vi genomföra de olika stegen av produktionen billigare kommer vi snabbare att se en förändrad industri där man genom hållbar produktion producerar mer miljövänliga produkter som är baserade på förnybara källor, säger han.

I ett av hans forskningsprojekt användes CRISPR-Cas9-tekniken för att snabbt skapa tusentals olika jäststammar för att screena för de mest effektiva producenterna. Genom sådana försök får man större insikt om hur man kan förbättra cellfabriker och skyndar därmed på utvecklingcyklerna. 

Model-assisted fine-tuning of central carbon metabolism in yeast through dCas9-based regulation

Advancing biotechnology with CRISPR/Cas9: recent applications and patent landscape.​

Utveckling av cellfabriker och verktyg för nya organismer

Yvonne NygårdYvonne Nygård, docent på avdelningen för industriell bioteknik, utvecklar också cellfabriker som kan använda sig av rester från skogs- och jordbruk för att producera biobränslen och biokemikalier. Hennes forskargrupp driver flera projekt som är helt uppbyggda kring CRISPR-Cas9 och andra projekt där tekniken används som ett av många verktyg för genetisk modifier​ing.

 Att klippa och klistra gener var ju grundapplikationen, men tekniken har utvecklats löpande och nu finns många flera applikationer. Nu kan man använda tekniken även för upp- och nedreglering av gener, vilket innebär att man kan styra aktivitet av olika system i cellerna. Vi har nyss publicerat en artikel (se nedan) där vi har utvecklat ett så kallat tool kit, ett system, där en variant av CRISPR-Cas9-tekniken används för att reglera gener i industriella jäststammar, säger hon. 

Yvonne Nygårds grupp bygger också CRISPR-baserade verktyg för filamentösa svampar, och hon har tidigare jobbat med att utveckla verktyg för den svamp som redan idag används industriellt för produktion av penicillin.

 Det fina med CRISPR-Cas9 är att tekniken fungerar för så många olika sorters organismer. Förut kunde man bli tvungen att bygga upp den genetiska verktygslådan från början om man ville arbeta med en ny organism − och det kan ta tid. Nu kan man relativt enkelt implementera samma teknik och verktyg i olika sorters celler, säger hon. 

Yvonne Nygård förklarar att det innebär att det nu är mycket enklare att testa olika produktionsorganismer parallellt − eller att använda sig av helt nya mikroorganismer som hittats i naturen. 

− CRIPSR-Cas9-tekniken har gett oss h​​elt nya möjligheter att jobba med mer svårmanipulerade organismer som filamentösa svampar. De växer relativt långsamt och har flera cellkärnor, som alla innehåller kromosomer, vilket fordrar effektiva genmodifieringsverktyg, säger hon. 

A CRISPR activation and interference toolkit for industrial Saccharomyces cerevisiae strain KE6-12​

Etiska frågeställningar kring CRISPR-Cas9

På frågan om det finns etiska problem med CRISPR-Cas9-tekniken är forskarna ense. Det är inte metoden i sig som innebär etiska dilemman, utan vad den används till. Framförallt är det vid klinisk användning för behandling av olika sjukdomar som de etiska frågorna uppstår. 

Det finns nog inte direkta etiska, CRISPR-Cas9-relaterade problem knutna till min eller de andra BIO-forskarnas studier, eftersom de celler som skapas med den här tekniken inte skiljer sig från celler som skapats med andra verktyg. Men det vore naivt att säga att det inte finns etiska frågeställningar kopplade till tekniken. Man vet ju aldrig vad den teknik man utvecklar kommer att användas till, säger Yvonne Nygård. 

Elin Esbjörner är inne på samma spår

Gensaxen har stor potential när det gäller att faktiskt korrigera gener i kroppen. Det är å ena sidan fantastiskt, för vi kommer förmodligen att kunna använda tekniken som läkemedel för att bota svåra sjukdomar som vi ännu inte lyckats rå på med traditionella läkemedel. Men där finns också svåra etiska frågeställningar om vilka genetiska defekter vi bör korrigera. Vi har som en del av forskarsamhället, ett stort ansvar för att det här fantastiska verktygen används och kommer att användas på rätt sätt, säger hon.  

Text: Susanne Nilsson Lindh


Fler BIO-forskare som använder gensaxen CRISPR-Cas9

Verena Siewers, senior forskare, systembiologi:

Verena SiewersMin forskning handlar om att utveckla cellfabriker för industriell produktion av kemikalier, läkemedel och lipider. Vi arbetar främst med bagerijäst, och gensaxen är en väl etablerad teknik för den organismen, och nu använder min forskargrupp den i alla projekt där vi arbetar med genmodifiering.

För mig är den verkliga finessen med CRISPR-Cas9 den stora potentialen som finns i att kunna ändra den ursprungliga tekniken. Man kan till exempel styra ett modifierat Cas9-protein till en specifik position i DNAt, men istället för att klippa DNA-strängen kan det modifierade proteinet reglera uttrycket av den specifika genen − eller skapa slumpmässiga mutationer i ett visst område av DNAt. Vi har använt denna metod för gener som är involverade i fettsyrametabolismen, men också för att skapa så kallade bibliotek där vi slumpmässigt ändrade genuttryck i cellerna − och sedan screenade vi för genuttryck som var fördelaktiga för en specifik produkt. Tekniken har fortfarande sina begränsningar, men vår forskning skulle definitivt ha gått långsammare framåt utan den.

Model-Assisted Fine-Tuning of Central Carbon Metabolism in Yeast through dCas9-Based Regulation 

Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for overproduction of triacylglycerols​


Cecilia Geijer, forskarassistent, industriell biologi:

Cecilia GeijerJag arbetar med att utveckla industriella jäststammar, som effektivt kan jäsa socker från växtbiomassa till hållbara biobränslen och biokemikalier. 

Bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae, är en mycket effektiv producent av bioetanol från glukos. Jag och min forskargrupp använder CRISPR-Cas9-tekniken för att förse bagerijästen med gener från andra organismer, vilket möjliggör jäsning också av andra sockerarter från växtbiomassa och breddar jästernas användningsområden. 

Gensaxen snabbar på utvecklingsprocessen av dessa jäststammar avsevärt – och innebär en hel del fördelar jämfört med andra metoder. Till exempel är det en väldigt exakt metod och vi kan nu modifiera stammarna utan att introducera markörer såsom antibiotikaresistensgener i arvsmassan, vilket är en stor fördel för jäststammar som ska användas industriellt. 

Jag arbetar också med nya, relativs okända jästarter som besitter en rad industriellt attraktiva egenskaper. Jag är övertygad om att CRIPSR-Cas9 är ett essentiellt verktyg för att i framtiden kunna utveckla dessa ”icke-konventionella” jäster till effektiva cellfabriker. 

Nytt nätverk ska stärka europeisk jästforskning

Genomic and transcriptomic analysis of Candida intermedia reveals the genetic determinants for its xylose-converting capacity 


Fredrik Westerlund, biträdande professor, kemisk biologi:

Fredrik WesterlundI min grupp använder vi gensaxen i ett antibiotikaresistensprojekt där vi analyserar plasmider. Plasmider är de ”extra” DNA-molekyler som bakterier har i sina celler och där generna som kodar för antibiotikaresistens ofta finns. Traditionella metoder att studera plasmider ger inte den all information som är kliniskt viktig. Genom att använda CRISPR-Cas9 i kombination med en mappingmetod som vi har utvecklat kan vi nu lokalisera resistensgener på specifika plasmider. 

Vi använder CRISPR-Cas9-tekniken i sin enklaste form: vi klipper av DNA och identifierar med mappingmetoden om och i så fall var klippet skett; ett klipp sker bara om resistensgenen finns. 

Eftersom plasmid-DNA lättare delas mellan bakterier än kromosomalt DNA kan man förvänta sig att en resistensgen på en plasmid kommer att sprida sig. Även om man med PCR kan fastställa att en viss bakteriestam har en resistensgen, kan det vara nödvändigt och relevant för vidare studier att veta exakt var genen finns - då är vår metod ett bra val av analysmetod.

Direct identification of antibiotic resistance genes on single plasmid molecules using CRISPR/Cas9 in combination with optical DNA mapping 

Optical DNA Mapping Combined with Cas9-Targeted Resistance Gene Identification for Rapid Tracking of Resistance Plasmids in a Neonatal Intensive Care Unit Outbreak


Oliver Konzock, doktorand, sys​tembiologi:

Oliver KonzockI mitt forskningsprojekt optimerar jag den icke-konventionella jästen Yarrowia lipolytica för hållbar produktion av matoljor, som kakaosmör. 

Yarrowia lipolytica producerar naturligt stora mängder av fett, men den exakta sammansättningen är olik den i de fetter som jag vill att den ska producera. För att ändra lipidsammansättningen använder jag gensaxen för att ta bort eller byta ut genen för ett protein som inducerar dubbelbindningar mellan kolatomer i fettmolkylerna. Genom att ändra på ge​nen eller hur den uttrycks kan jag ändra på fettsammansättningen och komma närmare min målprodukt, som är matoljor. 

För mig är CRISPR/Cas9 ett extremt viktigt verktyg eftersom den snabbar på den del av projektet som handlar om att modifiera generna och jag kan istället använda min tid till att undersöka stammarna – eller bygga ännu fler. 

Deletion of MHY1 abolishes hyphae formation in Yarrowia lipolytica without negative effects on stress tolerance 







Sidansvarig Publicerad: fr 04 jun 2021.