CRISPR/Cas biotechnology: Targeted and Versatile Gene Editing in Petunia
CRISPR/Cas genome engineering unleashed a scientific revolution, but entails socio-ethical dilemmas as genetic changes might affect evolution and objections exist against genetically modified organisms. CRISPR-mediated epigenetic editing offers an alternative to reprogram gene functioning long-term, without changing the genetic sequence. Although preclinical studies indicate effective gene expression modulation, long-term effects are unpredictable. This limited understanding of epigenetics and transcription dynamics hampers straightforward applications and prevents full exploitation of epigenetic editing in biotechnological and health/medical applications.Epi-Guide-Edit will analyse existing and newly-generated screening data to predict long-term responsiveness to epigenetic editing (cancer cells, plant protoplasts). Robust rules to achieve long-term epigenetic reprogramming will be distilled based on i) responsiveness to various epigenetic effector domains targeting selected genes, ii) (epi)genetic/chromatin composition before/after editing, and iii) transcription dynamics. Sustained reprogramming will be examined in complex systems (2/3D fibroblast/immune/cancer co-cultures; tomato plants), providing insights for improving tumor/immune responses, skin care or crop breeding. The iterative optimisations of Epi-Guide-Edit rules to non-genetically reprogram eventually any gene of interest will enable exploitation of gene regulation in diverse biological models addressing major societal challenges.The optimally balanced consortium of (applied) universities, ethical and industrial experts facilitates timely socioeconomic impact. Specifically, the developed knowledge/tools will be shared with a wide-spectrum of students/teachers ensuring training of next-generation professionals. Epi-Guide-Edit will thus result in widely applicable effective epigenetic editing tools, whilst training next-generation scientists, and guiding public acceptance.
CRISPR/Cas werd in 2012 ontdekt als een bacterieel afweersysteem dat specifieke sequenties van virussen die bacteriën infecteren herkent en vervolgens onschadelijk maakt. Vrijwel direct na deze ontdekking werd de inzetbaarheid van CRISPR/Cas in biologisch en medisch onderzoek gedemonstreerd. Voor dit baanbrekend onderzoek aan CRISPR/Cas kregen de Amerikaanse moleculair biologe Jennifer Doudna en haar Franse collega Emmanuelle Charpentier al in 2020 de Nobelprijs. CRISPR/Cas heeft inmiddels gezorgd voor een revolutie in het bewerken, repareren en reguleren van DNA-sequenties (oftewel gene-editing) in bacteriën, planten en zelfs mensen. Daarnaast is recent gebleken dat Cas-eiwitten (onderdeel van CRISPR/Cas) ook kunnen worden ingezet voor de detectie van specifieke DNA-sequenties in voedsel, patiënten en gewassen. Deze Cas-eiwitten kunnen bijvoorbeeld worden ingezet voor de detectie van plant-pathogenen. Detectiemethoden van b.v. pathogenen in voedsel moeten zeer gevoelig, specifiek, goedkoop en draagbaar zijn. Biosensoren kunnen deze eigenschappen combineren. Biosensoren zijn detectiesystemen die gebaseerd zijn op biologische componenten/processen zoals de hier beschreven Cas-eiwitten. Om bestaande en nog te ontwikkelen Cas-eiwitten te optimaliseren is een beter begrip van hun werking een vereiste. Momenteel worden nieuwe varianten van Cas-eiwitten via in silico modeleringen ontworpen. De potentie van deze varianten om door te ontwikkelen voor gebruik in biosensoren is echter afhankelijk van een gedegen en systematische analyse van hun in vitro activiteiten. In dit project wordt daarom samen met MKB-partner Spark Genetics (ontwikkelaar van biosensoren) onderzoek gedaan naar met welke nieuw te ontwikkelen analysemethode(n) de activiteit en specificiteit van Cas-eiwitten snel en kosteneffectief bepaald kan worden. Avans en Spark Genetics kunnen direct profiteren van de resultaten van dit onderzoek. Zo is er voor Spark Genetics een directe vertaling van de resultaten naar het inzetten van de meest optimale Cas-eiwitten in nieuwe biosensoren en zal Avans hogeschool de kennis van de analysetechnieken direct integreren in haar laboratoriumonderwijs.
Aanleiding De Nederlandse zaad- en plantenveredelingsbedrijven staan internationaal aan de top. Om deze goede concurrentiepositie te behouden zijn innovaties in de veredelingstechnieken noodzakelijk, zoals moleculaire veredeling. Op dit moment is er in het werkveld behoefte aan een methode waarmee men heel specifiek, op één plaats in het DNA, een mutatie kan aanbrengen ('targeted mutagenesis'). Zeer recent is hiervoor een nieuwe, veelbelovende methode beschreven, namelijk de CRISPR/Cas-technologie. Met deze techniek kunnen de bedrijven relatief eenvoudig veel preciezer en sneller veredelen, waardoor de internationale concurrentiepositie behouden blijft. Verschillende veredelingsbedrijven en onderwijsinstellingen willen daarom de toepasbaarheid van deze nieuwe technologie onderzoeken. Doelstelling Het programma wil vaststellen wat de toepasbaarheid van de CRISPR/Cas-technologie is en welke potentie deze technologie heeft in gewassen die van belang zijn voor de Nederlandse zaad- en plantenveredelingsbedrijven. Het onderzoek bestaat uit twee fasen: 1) de techniek wordt getest en geoptimaliseerd in het modelgewas petunia en aanverwante soorten zoals tomaat en aardappel. 2) het onderzoeksteam past de techniek toe in gewassen die voor de bedrijven commercieel interessant zijn, zoals gewassen uit de familie van de Solanaceae, Brassicaceae en Cucurbitaceae. In het onderzoek worden diverse specialistische instrumenten en methodes ingezet en uitgetest (in combinatie met de CRISPR/Cas-technologie). Beoogde resultaten Na afloop van het project zijn er: 1) nieuwe protocollen voor het toepassen van de CRISPR/Cas-technologie in petunia, Solanaceae, Brassicaceae en Cucurbitaceae; 2) nieuwe vectoren (dragers) voor het maken van de plaatsspecifieke mutaties; 3) methoden voor het aantonen van de mutaties op DNA-niveau; 4) mutante petunia's waarvan de bloemkleur, bloemgeur, bloemvorm of de aanwezigheid van trichomen ('haren') zijn veranderd; 5) mutante Solanaceae-, Brassicaceae- en Cucurbitaceae-planten waarvan de plantvorm, de inhoudsstoffen of de gevoeligheid voor een ziekte is veranderd. De lector Green Biotechnology van Hogeschool InHolland stuurt met (docent-)onderzoekers het project aan. De studenten van de betrokken hogescholen participeren binnen het reguliere onderwijs (projectonderwijs) en via stage- en afstudeeropdrachten in het onderzoek. Al tijdens het onderzoeksproject vindt de implementatie van de technologie in het onderwijs plaats. De consortiumleden wisselen maandelijks ervaring, materialen en protocollen uit. Het gehele consortium komt minstens 2 keer per jaar bijeen om de resultaten en voortgang te bespreken.
