En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte caracterizan una variedad de herramientas moleculares para reescribir, no solo editar, grandes fragmentos del ADN de un organismo, con base en sistemas CRISPR-Cas asociados con «autoestopistas» genéticos egoístas llamados transposones.

Los investigadores investigan diversos sistemas CRISPR-Cas Tipo IF y los diseñan para agregar carga genética, hasta 10,000 letras de código genético adicionales, a la carga del transposón para realizar los cambios deseados en una bacteria, en este caso, E. coli.

Los hallazgos amplían la caja de herramientas CRISPR y podrían tener implicaciones significativas en la manipulación de bacterias y otros organismos en un momento en que se necesita una edición flexible del genoma en la terapéutica, la biotecnología y una agricultura más sostenible y eficiente.

Las bacterias utilizan 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. El nuevo hallazgo muestra que se pueden mover o agregar cantidades exponencialmente mayores de código genético, lo que podría aumentar la funcionalidad de CRISPR.

«En la naturaleza, los transposones han cooptado los sistemas CRISPR para, egoístamente, moverse por el genoma de un organismo para ayudarse a sobrevivir. A su vez, estamos cooptando lo que ocurre en la naturaleza al integrar con los transposones un sistema CRISPR-Cas programable que puede mover la carga genética que diseñamos para realizar alguna función», dijo Rodolphe Barrangou, Profesor Distinguido Todd R. Klaenhammer de Ciencias de la Alimentación, Bioprocesamiento y Nutrición en NC State y autor correspondiente de un artículo que describe la investigación.

«Usando este método, demostramos que podemos diseñar genomas moviendo fragmentos de ADN de hasta 10.000 letras», dijo Barrangou. «La naturaleza ya hace esto : los datos bioinformáticos muestran ejemplos de hasta 100 000 letras genéticas movidas por sistemas CRISPR basados ​​en transposones, pero ahora podemos controlarlo y diseñarlo usando este sistema.

«Para completar la analogía del autoestopista, estamos diseñando al autoestopista para que traiga cierto equipaje o carga al automóvil para entregar algún tipo de carga útil cuando el automóvil llegue a su destino».

El estudio muestra a los investigadores demostrando la eficacia del método tanto in vitro en la mesa de laboratorio como in vivo en E. coli. Los investigadores seleccionaron 10 transposones diferentes asociados con CRISPR para probar la efectividad del método. El enfoque funcionó con los 10 transposones, aunque variaron en efectividad según factores como la temperatura y el tamaño de la carga del transposón.

«Fue emocionante descubrir que todos los sistemas que probamos eran funcionales después de reconstruirlos en herramientas de edición del genoma a partir de sus formas biológicas nativas», dijo Avery Roberts, estudiante de posgrado de NC State y primer autor del estudio. «Descubrimos nuevas características de estos sistemas, pero es probable que haya muchos hallazgos y aplicaciones más relevantes por venir a medida que el campo avanza a un ritmo rápido».

La investigación también mostró que el método podría usarse con diferentes transposones al mismo tiempo.

«En lugar de un solo gen, como es el caso con otros sistemas CRISPR como el sistema Tipo II Cas-9 más familiar, podemos incorporar una ruta metabólica completa para incorporar un conjunto completamente nuevo de funciones a un organismo», dijo Barrangou. dijo. «En el futuro, eso podría significar proporcionar una resistencia más flexible a las enfermedades o la sequía a las plantas, por ejemplo».

«Estamos entusiasmados con estos hallazgos y vemos el potencial de aplicar estos sistemas recién descubiertos en plantas de cultivo para acelerar el desarrollo de variedades más resistentes y de mayor rendimiento», dijo Gusui Wu, director global de investigación de semillas de Syngenta Seeds.

Barrangou y Wu agregan que el trabajo de este estudio brinda un gran ejemplo de asociaciones público-privadas que impulsan el descubrimiento científico y capacitan a la fuerza laboral del mañana.

El artículo aparece en Nucleic Acids Research. La financiación fue proporcionada por Syngenta Seeds. Los coautores del artículo incluyen al estudiante de posgrado de NC State Avery Roberts y al ex Ph.D. de NC State. estudiante Mateo Nethery.