El sistema CRISPR-Cas9 (en la foto) se utiliza para encontrar y cortar secuencias de ADN específicas. Crédito: Carlos Clarivan/Biblioteca de fotografías científicas
El “tesoro escondido” de los nuevos sistemas CRISPR es prometedor para la edición del genoma
Un algoritmo que puede analizar cientos de millones de secuencias genéticas ha identificado enzimas y genes cortadores de ADN que son extremadamente raros en la naturaleza.
Sara Reardón
CRISPR–Cas9 es mejor conocido como herramienta de laboratorio para editar ADN, pero su función natural es formar parte del sistema inmunológico que ayuda a ciertos microorganismos a combatir los virus. Ahora, los investigadores han utilizado un algoritmo para clasificar millones de genomas y encontrar tipos nuevos y raros de sistema CRISPR que eventualmente podrían adaptarse como herramientas de edición de genomas.
“Estamos simplemente asombrados por la diversidad de los sistemas CRISPR”, afirma Feng Zhang, bioquímico del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge y coautor de un artículo del 23 de noviembre en Science que describe los sistemas (1) . “Hacer este análisis nos permite matar dos pájaros de un tiro: ambos estudian biología y también potencialmente encuentran cosas útiles”.
Las bacterias y arqueas unicelulares utilizan sistemas CRISPR para defenderse de los virus conocidos como bacteriófagos. Los sistemas generalmente tienen dos partes: moléculas de 'ARN guía' que reconocen y se unen al ADN o ARN del fago, y enzimas que cortan o interfieren de otro modo con el material genético en el sitio indicado por el ARN guía.
Hasta ahora, los investigadores habían identificado seis tipos de sistemas CRISPR, denominados I-VI. Estos tienen diferentes propiedades, incluido el tipo de enzima que utilizan y cómo reconocen, se unen y cortan el ARN o el ADN. El sistema CRISPR-Cas9 comúnmente utilizado para ingeniería genética está clasificado como tipo II, pero las características de otros tipos CRISPR podrían hacerlos útiles para otras aplicaciones.
Secuencias similares
Para encontrar diversos sistemas CRISPR en la naturaleza Zhang, el bioingeniero Han Altae-Tran del MIT y sus colegas desarrollaron un algoritmo llamado FLSHclust, que analiza secuencias genéticas en bases de datos públicas. Estas bases de datos contienen cientos de miles de genomas de bacterias y arqueas, cientos de millones de secuencias que no han sido vinculadas a una especie en particular y miles de millones de genes que codifican proteínas. FLSHclust encontró genes asociados a CRISPR buscando similitudes entre secuencias genéticas y agrupándolas en alrededor de 500 millones de grupos.
Al observar la función prevista de los grupos, los investigadores encontraron alrededor de 130.000 genes de alguna manera asociados con CRISPR, 188 de los cuales nunca se habían visto antes, y probaron varios en el laboratorio para descubrir qué hacen. Sus experimentos revelan varias estrategias que utilizan los sistemas CRISPR para atacar a los bacteriófagos, incluido desenrollar la doble hélice del ADN y cortar el ADN de manera que permitan la inserción o eliminación de genes. También identificaron fragmentos de ADN “anti-CRISPR” que podrían ayudar a un fago a escapar de las defensas bacterianas.
Entre los nuevos genes se encontró el código de un sistema CRISPR completamente desconocido que se dirige al ARN, al que el equipo denominó tipo VII. El coautor Eugene Koonin, biólogo del Centro Nacional de Información Biotecnológica en Bethesda, Maryland, dice que cada vez es más difícil encontrar nuevos sistemas CRISPR. El tipo VII (y cualquier otro tipo que aún no haya sido identificado) debe ser extremadamente raro en la naturaleza, añade. “Probablemente serán necesarios esfuerzos monumentales para encontrar el siguiente tipo”.
Es difícil saber si ciertos tipos de sistemas CRISPR son raros porque generalmente no son útiles para los microorganismos o si están específicamente adaptados a un organismo que vive en un ambiente particular, dice Christine Pourcel, microbióloga de la Universidad Paris-Saclay. Añade que debido a que las bases de datos genéticas utilizadas en el estudio incluyen fragmentos de genomas que no están vinculados a organismos específicos, será difícil estudiar las funciones de algunos de los nuevos sistemas.
Un recorrido impresionante
El algoritmo en sí es un avance importante, ya que permitirá a los investigadores buscar otros tipos de proteínas entre especies, dice Chris Brown, bioquímico de la Universidad de Otago en Dunedin, Nueva Zelanda. “Estoy impresionado con lo que pudieron hacer”, agrega.
“Es un tesoro para los bioquímicos”, coincide Lennart Randau, microbiólogo de la Universidad de Marburg en Alemania. El siguiente paso, afirma, será determinar los mecanismos mediante los cuales funcionan las enzimas y los sistemas, y cómo podrían adaptarse para la ingeniería biológica. Brown dice que algunas proteínas CRISPR cortan el ADN al azar y son inútiles para la ingeniería. Pero son tan precisos en la detección de secuencias de ADN o ARN que podrían ser buenas herramientas de diagnóstico o investigación.
Es demasiado pronto para decir si los sistemas CRISPR tipo VII o cualquiera de los otros genes identificados por FLSHclust serán útiles para la ingeniería genética, dice Altae-Tran, pero tienen algunas propiedades que podrían ser útiles. El tipo VII, por ejemplo, involucra sólo unos pocos genes que podrían caber fácilmente en un vector viral y ser introducidos en las células. Por el contrario, algunos de los otros sistemas que encontró el equipo contienen ARN guía muy largos, lo que potencialmente les permite apuntar a secuencias genéticas particulares con una precisión sin precedentes.
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-03697-w
Referencias
1.Altae-Tran, H. et al. Science 382, eadi1910 (2023). Artículo
