Avance en la edición de genes: los investigadores de NC State utilizan CRISPR para dar la vuelta a las bacterias

RALEIGH- Llámalo un enigma CRISPR.

Las bacterias utilizan los sistemas CRISPR-Cas como sistemas inmunitarios adaptativos para resistir los ataques de enemigos como los virus. Estos sistemas han sido adaptados por científicos para eliminar o cortar y reemplazar secuencias de códigos genéticos específicos en una variedad de organismos.

[Caja CRISPR es un sistema inmunitario adaptativo existente en la mayoría de las bacterias y arqueas, que evita que se infecten con fagos, virus y otros elementos genéticos extraños, según el Instituto Nacional de Salud.]

Pero en un nuevo estudio, los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte muestran que los virus diseñados con un sistema CRISPR-Cas pueden frustrar las defensas bacterianas y realizar cambios selectivos en una bacteria específica, incluso cuando otras bacterias están muy cerca.

“Los virus son muy buenos para entregar cargas útiles. Aquí, usamos un virus bacteriano, un bacteriófago, para entregar CRISPR a las bacterias, lo cual es irónico porque las bacterias normalmente usan CRISPR para matar virus”, dijo Rodolfo Barrangou, el Profesor Distinguido Todd R. Klaenhammer de Alimentos, Bioprocesamiento y Ciencias de la Nutrición en NC State y autor correspondiente de un artículo que describe la investigación publicado hoy en Actas de la Academia Nacional de Ciencias. “El virus en este caso apunta E. coli entregándole ADN. Es como usar un virus como jeringa”.

Los investigadores de NC State implementaron dos bacteriófagos diseñados diferentes para entregar cargas útiles CRISPR-Cas para la edición específica de E. coli, primero en un tubo de ensayo y luego dentro de un entorno de suelo sintético creado para imitar el suelo, un entorno complejo que puede albergar muchos tipos de bacterias.

Ambos bacteriófagos diseñados, llamados T7 y lambda, encontraron con éxito y luego entregaron cargas útiles al E. coli host en la mesa de laboratorio. Estas cargas útiles expresaron genes bacterianos fluorescentes y manipularon la resistencia de la bacteria a un antibiótico.

Luego, los investigadores usaron lambda para entregar el llamado editor de base de citosina al E. coli anfitrión. En lugar de la división a veces dura de secuencias de ADN de CRISPR, este editor base cambió solo una letra de E. coli's DNA, mostrando la sensibilidad y precisión del sistema. Estos cambios inactivaron ciertos genes bacterianos sin realizar otros cambios en E. coli.

“Usamos un editor base aquí como una especie de interruptor de encendido y apagado programable para los genes en E. coli. Usando un sistema como este, podemos hacer cambios de una sola letra altamente precisos en el genoma sin la rotura del ADN de doble cadena comúnmente asociado con la orientación de CRISPR-Cas”, dijo Matthew Nethery, ex Ph.D. de NC State. estudiante y autor principal del estudio.

Finalmente, los investigadores demostraron la edición in situ mediante el uso de un ecosistema fabricado (EcoFAB) cargado con un medio de suelo sintético de arena y cuarzo, junto con líquido, para imitar un entorno de suelo. Los investigadores también incluyeron tres tipos diferentes de bacterias para probar si el fago podía localizar específicamente E. coli dentro del sistema

“En un laboratorio, los científicos pueden simplificar demasiado las cosas”, dijo Barrangou. "Es preferible modelar entornos, por lo que en lugar de sopa en un tubo de ensayo, queríamos examinar entornos de la vida real".

Los investigadores insertaron lambda en el ecosistema fabricado. Mostró una buena eficiencia en la búsqueda E. coli y hacer los cambios genéticos específicos.

"Esta tecnología permitirá a nuestro equipo y a otros descubrir la base genética de las interacciones bacterianas clave con plantas y otros microbios dentro de entornos de laboratorio altamente controlados como EcoFAB", dijo Trent Northen, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía. (Berkeley Lab) que colabora con Barrangou.

“Vemos esto como un mecanismo para ayudar al microbioma. Podemos hacer un cambio en una bacteria en particular y el resto del microbioma permanece ileso”, dijo Barrangou. “Esta es una prueba de concepto que podría emplearse en cualquier comunidad microbiana compleja, lo que podría traducirse en una mejor salud de las plantas y del tracto gastrointestinal, entornos de importancia para la alimentación y la salud.

“En última instancia, este estudio representa el próximo capítulo de la entrega de CRISPR: el uso de virus para entregar maquinaria CRISPR en un entorno complejo”.

Los investigadores planean avanzar en este trabajo probando la técnica CRISPR de fagos con otras bacterias asociadas al suelo. Es importante destacar que esto ilustra cómo se pueden manipular las comunidades microbianas del suelo para controlar la composición y la función de las bacterias asociadas con las plantas en ecosistemas fabricados para comprender cómo mejorar el crecimiento de las plantas y promover la salud de las plantas, que es de gran interés para la agricultura sostenible.

El financiamiento fue proporcionado por el análisis de la comunidad microbiana y la evaluación funcional en suelos de m-CAFE, un área de enfoque científico dirigida por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y respaldada por el Departamento de Energía de EE. UU. bajo el contrato no. DE-AC02-05CH11231, con esfuerzos de colaboración que incluyen UC Berkeley y el Innovative Genomics Institute. Los coautores del artículo incluyen a Nethery, el ex investigador postdoctoral de NC State Claudio Hidalgo-Cantabrana y el estudiante graduado de NC State Avery Roberts.

(C) NCSU