Investigadores del IGI sic bacteriano virus luchador Cas9 sobre una nueva generación de contendientes: plantas y animales virus.
Científicos de UC Berkeley y el innovador Genómica Institute han dado pasos importantes para utilizar CRISPR-Caso9 edición del genoma tecnología para crear una respuesta inmune sintética. En trabajo publicado hoy en la revista Celular, modifican el Cas9 proteína para que se active solo en presencia de peligros patógenos, y luego siga su moléculas de ARN programa para detener las infecciones en seco. Estos mismos avances aumentan la seguridad de Cas9 para futuras aplicaciones médicas.
Bloqueando Cas9
Los ARN programables guían la proteína Cas9 a ubicaciones específicas en el genoma,, y Cas9 actúa como tijeras moleculares que cortan el objetivo letra singular. Las versiones de este sistema se pueden utilizar para girar los genes encendido y apagado, o para reparar ADN dañino mutaciones, como los que causan enfermedades genéticas.
Una proteína Cas9 normal tiene dos partes: un lóbulo que reconoce y ayuda a adherirse al ADN y al ARN, y el nucleasa lóbulo que corta el ADN objetivo. Junto con la pionera de CRISPR Jennifer Doudna, el profesor David Savage de UC Berkeley y los investigadores de su laboratorio han creado una nueva forma de la proteína llamada ProCas9.
Una proteína está hecha de una cadena de aminoácidos que se pliega en una forma tridimensional. Usando una técnica conocida como permutación circular, los dos extremos de la proteína Cas9 se doblan en un círculo, pero en lugar de unirlos directamente, colocan un "bloqueo" molecular entre ellos. En ProCas9, la parte de Cas9 que corta el ADN está bloqueada, incapaz de actuar. Este bloqueo es una cadena corta de proteínas que solo puede cortarse mediante un corte de proteína específico. enzima "Clave" o proteasa, que reconoce esa cadena de proteínas.
Usando Cas9 como respuesta inmune
CRISPR-Cas9 evolucionó como una respuesta inmune que las bacterias usan para defenderse de los virus. ProCas9 se puede utilizar de manera similar como una defensa inmune que reconoce y responde a patógenos virales en plantas y animales. Los científicos pueden hacer iteraciones bloqueadas de ProCas9 donde la clave es una proteína fabricada solo por un determinado virus: la cerradura se abre y la actividad de corte de ADN de Cas9 se desata solo cuando la (SCD por sus siglas en inglés), está infectado por ese virus. Se puede usar una variedad casi infinita de cadenas de proteínas para hacer las cerraduras, lo que hace posible programar el sistema para que responda a casi cualquier patógeno que produzca claves de proteínas. Este Cas9 se puede combinar con una guía de ARN diseñada para imitar las respuestas inmunitarias a las infecciones que protegen a los organismos del daño.
Los investigadores probaron este sistema en células vivas y descubrieron que podían bloquear con éxito ProCas9 y liberar su acción utilizando claves proteicas de virus que amenazan la salud humana como el Zika y el Nilo Occidental, así como virus que causan una gran pérdida de cultivos alimentarios, incluidas las papas, ciruelas y yuca.
“Si bien esta es una prueba de concepto muy temprana, demuestra la idea de que este podría ser un sistema inmunológico sintético. Ahora tenemos el poder de programar tanto la entrada como la salida de una proteína de detección inmunológica ”, dice el coautor principal, Benjamin Oakes. “Esta es la parte realmente emocionante: lo que hemos construido es esencialmente una proteína de detección de amenazas innata que puede programar para hacer lo que quiera.
Oakes es un miembro emprendedor de IGI que dirige su propio grupo de investigación. Este programa financia a investigadores de carrera temprana que proponen proyectos de alto impacto que aportan ideas innovadoras de la academia a la economía en general. El programa IGI toma la mejor investigación de la UC y la lleva a un foro donde puede ayudar al mayor número de personas posible.
Reducir los riesgos de CRISPR-Cas9: no se está portando mal
Una de las principales preocupaciones sobre el uso de Cas9 en pacientes humanos es que puede tener lo que los científicos llaman "fuera del objetivo efectos ”, es decir, además de cortar el genoma en los objetivos de ADN especificados por la secuencia CRISPR, en ocasiones también puede cortar el genoma en otros lugares. Existe la preocupación de que el uso de una versión "siempre activa" de Cas9 para tratar enfermedades humanas pueda tener efectos secundarios dañinos. Para aprovechar completamente el poder de esta emocionante tecnología, los científicos han estado buscando formas de controlar mejor Cas9 para que solo actúe cuando y donde lo deseen.
Debido a que estos bloqueos de proteínas hacen que ProCas9 esté inactivo a menos que se libere con una llave, minimizan en gran medida el riesgo de efectos fuera del objetivo. En pruebas de laboratorio, los autores pudieron detectar efectos fuera del objetivo cuando las células se trataron con Cas9 regular, pero ninguno cuando se trataron con ProCas9 bloqueado.
Estos bloqueos de proteínas también pueden dar especificidad de ubicación a ProCas9, que es otra estrategia importante para reducir los efectos fuera del objetivo y mejorar los beneficios terapéuticos: ProCas9 se puede hacer para responder a claves de proteínas que existen solo en ciertos órganos o tejidos, por lo que Cas9 es solo se enciende exactamente donde se necesita. Estas importantes mejoras del sistema CRISPR-Cas9 nos acercan a un uso seguro y eficaz en la medicina y la agricultura.
Primero la agricultura, luego el mundo
“Durante mucho tiempo, hemos estado atados a los andamios CRISPR que podemos encontrar en la naturaleza”, dice el líder del grupo de investigación David Savage. “Sin embargo, estas proteínas evolucionaron para funcionar en el contexto de un sistema inmunológico bacteriano, no como proteínas de unión y edición del genoma precisas en una célula humana. Nuestro trabajo muestra que tomamos andamios naturales y los reoptimizamos por completo para una nueva función. Creo que este cambio, al alejarse de las proteínas naturales a un nuevo andamio totalmente optimizado como plataforma de edición del genoma, es la gran contribución de este artículo ”.
Las respuestas inmunitarias sintéticas programables impulsadas por CRISPR-ProCas9 probablemente se adoptarán primero en la agricultura. “Esto será más útil en las plantas debido a cosas como Potyvirus”, dice Oakes, refiriéndose a una familia de virus que afecta los cultivos alimentarios comunes, causando pérdidas significativas en la producción de alimentos y ganancias para los agricultores.
“Todavía estamos a años de programar la respuesta inmunitaria en las personas. Pero piense en dónde estará la biología en los próximos veinte años: la biología es la próxima tecnología. Es la próxima computadora. La biología no hará lo que hace la computadora, pero cambiará las realidades del mundo que nos rodea. Eso es aún más emocionante ".
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Este estudio fue publicado en la edición en línea de la revista. Celular como "Permutantes circulares CRISPR-Cas9 como andamios programables para la modificación del genoma.Además de Oakes, Doudna y Savage, Christof Fellman es coautor principal. Otros autores son Harneet Rishi, Kian L. Taylor, Shawn M. Ren, Dana C. Nadler, Rayka Yokoo y Adam P. Arkin. Esta investigación fue financiada por el Programa de becarios emprendedores del Instituto de Genómica Innovadora, los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto Médico Howard Hughes y la Fundación Simons.
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 e implementar la ingeniería del genoma para 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.
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