La vida es asombrosamente diversa. Al tomar antibióticos para detener infecciones o al usar levadura para elaborar cerveza, estamos adoptando productos y procesos útiles que evolucionaron de forma natural. Pero, ¿qué sucede cuando el rasgo que queremos no se puede encontrar en la naturaleza?
Los científicos del Instituto de Genómica Innovadora han inventado una nueva forma transformadora de aprovechar el poder de la evolución. Hoy en Naturaleza, investigadores dirigidos por el estudiante de doctorado Shakked Halperin que trabaja en los laboratorios de David Schaffer y John Dueber en UC Berkeley describen otra aplicación creativa para CRISPR: una plataforma para impulsar la evolución de los genes interior células. Su nuevo e innovador sistema, "EvolvR", permite a los científicos revolucionar la letra singular letras en su gen de elección hasta que encuentren la variación correcta. La tecnología abre innumerables posibilidades, como la ingeniería de levadura que convierte de manera eficiente los desechos en biocombustibles o el desarrollo de nuevas terapias humanas.
No solo bromeando
Imagínese un mono sentado frente a un teclado. Si se le diera una cantidad infinita de tiempo para presionar teclas al azar, el mono casi seguramente escribiría la obra completa de William Shakespeare.
Al menos, eso es según el "teorema del mono infinito. " La variación natural del ADN es similar a este proceso: a medida que pasa el tiempo, aparecen cambios aleatorios en el de sus genomas de diferentes organismos individuales.
En teoría, durante un tiempo infinito, habrán existido todas las posibles variaciones de las letras genéticas. Sin embargo, en una línea de tiempo humana práctica, solo aparecerá una fracción muy pequeña de las posibles variaciones.
Ahora imagina que podemos decirle al mono que reescriba solo una página específica del libro de Shakespeare. Macbeth. Limitado solo a esta ventana estrecha, el mono escribirá cada variación posible del texto de la página mucho, mucho más rápido. Esto es lo que EvolvR permite que los científicos hagan. Solo quieren nuevas versiones de un solo gen, por lo que reescribir el genoma completo no es práctico y probablemente tóxico para las células vivas. Al limitar la codificación a un solo gen a la vez, es posible muestrear una enorme cantidad de variaciones.
Pulsando el interruptor "evolucionar"
EvolvR permite a los científicos impulsar un gen a través de todo el proceso de evolución en un solo día en el laboratorio. El sistema se basa en el corte de ADN programable. proteína Cas9, lo que convierte a EvolvR en el último dispositivo ingenioso de la caja de herramientas CRISPR. El equipo de IGI amarró Cas9 a un enzima llamada ADN polimerasa. Cas9 está programado para encontrar una secuencia objetivo específica en el ADN de un organismo. EvolvR utiliza un especial "mellar”Versión de Cas9 que solo corta uno de los dos ADN hebras. Cas9 hace un mella, que indica a la ADN polimerasa que retire la hebra y la reemplace con ADN nuevo. La polimerasa comete errores al escribir en una secuencia de ADN diferente a la original, como el proverbial mono en el teclado.
Dado que la diversidad es el objetivo, los "errores tipográficos" de la polimerasa son algo bueno. Los científicos pueden usar EvolvR para hacer deliberadamente mutaciones, creando millones de combinaciones de secuencias diferentes y probablemente encontrando al menos una que tenga el efecto que desean.
La tecnología de evolución dirigida evoluciona
Este método es una forma fundamentalmente nueva de diversificar los sistemas biológicos, abriendo puertas que permanecían cerradas con estrategias anteriores. Otros métodos se basaban en forzar una vasta "biblioteca" de fragmentos de ADN aleatorizados en las células. Esto requiere mucho tiempo, es caro y no todas las células absorben fácilmente el ADN externo. EvolvR evita estos y otros inconvenientes de los enfoques anteriores. “No requiere ruptura de doble hebra como lo hacen muchas otras tecnologías ”, señala Dueber. “Las roturas de doble hebra son tóxicas para muchas células. Tampoco requiere vías de reparación sofisticadas, que muchos organismos interesantes no tienen ".
Por lo tanto, la herramienta debería funcionar en cualquier especie, y probar esta idea es uno de los próximos pasos inmediatos del equipo. Aunque su campo de pruebas estaba en bacterias fotosintéticas, la plataforma versátil será aún más poderosa cuando se utilice en eucariotas, como células humanas o vegetales. “EvolvR tiene un enorme potencial como herramienta independiente de la especie para la evolución dirigida”, dice Schaffer. “Ya puede realizar mutaciones únicas o combinaciones de cambios en regiones de ADN que van desde una docena hasta unos cientos pares de bases largo." Dueber agrega: “Estamos interesados en hacer un conjunto de herramientas modesto de EvolvR. Imaginamos sistemas que tienen tasas de mutación más altas o que afectan ventanas mucho más grandes. Hay muchas ideas para probar ".
Halperin señala otra fortaleza clave del sistema. Los métodos anteriores para desarrollar rasgos en el laboratorio incluyen solo unas pocas rondas de diversificación y selección que requieren mucha mano de obra. “En experimentos previos de evolución dirigida, nos alejamos de lo que hace la naturaleza. Debido a que nuestra herramienta puede proporcionar continuamente diversidad en un gen objetivo, podemos enriquecernos continuamente para obtener mejores y mejores rasgos, más cerca del proceso evolutivo natural ". Un experimento EvolvR puede continuar todo el tiempo que quiera el investigador, barajando la secuencia del gen una y otra vez y creando más oportunidades de éxito.
A las carreras
Hay casi demasiadas posibilidades para imaginar desde el principio, y el equipo detrás de EvolvR espera que otros científicos tomen su creación y la ejecuten.
“Estamos entusiasmados de que otras personas se unan a nosotros para usar esta herramienta y mejorarla”, dice Halperin. Schaffer está ansioso por implementar la herramienta para "acelerar el desarrollo de biomoléculas para aplicaciones terapéuticas humanas, desde nuevos medicamentos hasta nuevas tecnologías de administración de medicamentos".
Los investigadores están especialmente entusiasmados con la combinación de EvolvR con otro de los favoritos de la caja de herramientas CRISPR, el de alto rendimiento. Cribado CRISPR. Esta potente combinación de tecnologías les permitiría diversificar miles de genes diferentes en un solo experimento, creando potencialmente nuevas funciones en lugar de simplemente activar y desactivar genes.
Una sola gota de bacterias diversificadas con EvolvR contiene una inmensa diversidad. ¿Qué potencial innovador podría esconderse en esa única gota? Como escribió una vez Kahlil Gibran: "En una gota de agua se encuentran todos los secretos de todos los océanos". Si bien la visión poética de Gibran no se ha realizado del todo, nos estamos acercando rápidamente a ella.
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Este estudio fue publicado en la edición en línea de la revista. Naturaleza como "Las ADN polimerasas guiadas por CRISPR permiten la diversificación de todos los nucleótidos en una ventana sintonizable. " Además de Dueber, Halperin y Schaffer, los coautores del trabajo son Connor Tou, Eric Wong y Cyrus Modavi. Esta investigación fue financiada por Innovative Genómica Instituto.
El Innovative Genomics Institute (IGI) es una asociación académica sin fines de lucro entre UC Berkeley y UC San Francisco que apoya proyectos de investigación colaborativa en el Área de la Bahía. La misión del IGI es desarrollar y desplegar ingeniería del genoma curar enfermedades, garantizar la seguridad alimentaria y mantener el medio ambiente para las generaciones actuales y futuras. Como pioneros en la edición del genoma, la genómica funcional y otras tecnologías de vanguardia, los científicos de IGI amplían continuamente los límites de la ciencia.
Contactos para los medios de comunicación
Juan Dueber: jdueber@berkeley.edu
Halperin agitado: shakked@berkeley.edu
David Schafer: schaffer@berkeley.edu
