Los científicos del IGI descubren cientos de enormes virus propios con nuevas Proteínas Cas los genes.
En una publicado hoy en Artículo en Nature, La investigadora de IGI Jill Banfield informa un hallazgo importante: enorme fagos que contiene novela CRISPR los sistemas son ubicuos en diferentes entornos y hosts.
¿Qué es exactamente un fago?
Los bacteriófagos, a menudo llamados "fagos", son un tipo abundante de virus que infectan bacterias específicas y otrocélula organismos. Ellos inyectan su ADN en una célula huésped, secuestrando la célula huésped para copiar su propio ADN y producir más fagos.
Los científicos llaman a las letras genéticas que forman el ADN, "pares de bases. " Los científicos han creído durante mucho tiempo que la mayoría de los fagos son de tamaño pequeño y tienen un código genético corto con una pequeña cantidad de pares de bases de ADN. El fago promedio genoma, se cree que tiene una longitud de aproximadamente 50,000 pares de bases de ADN. En comparación, el genoma de un E. coli La bacteria tiene 1.6 millones de pares de bases de ADN y el genoma humano tiene 3 mil millones de pares de bases de ADN.
Enormes fagos, ¡en todas partes!
“Un componente poco estudiado del ecosistema microbiano es el depredador, que es el fago”, dice Banfield. Los científicos creen que la mayoría de los fagos son pequeños, por lo que generalmente buscan fagos con experimentos que excluyen partículas grandes. Para aprender más sobre los roles que juegan los fagos en diferentes ecosistemas, el grupo de Banfield adoptó un enfoque más abierto conocido como metagenómica. En lugar de omitir partículas más grandes, secuenciaron todo el ADN de las muestras. Esto les permitió encontrar fagos de cualquier tamaño. Tomaron muestras de diferentes entornos, que incluyen saliva humana, heces de animales, lagos de agua dulce, océanos, aguas termales, suelo y material a cientos de metros de profundidad en la corteza terrestre.
Los investigadores reconstruyeron más de 350 genomas de fagos enormes, cada uno con más de 200,000 pares de bases de ADN. Reunieron un genoma de fagos de 735,000 pares de bases, el más grande registrado. Esto es más de diez veces el tamaño medio informado de un genoma de fago.
Los investigadores encontraron fagos enormes en todos los entornos que muestrearon. Infectan una variedad de diferentes organismos hospedadores unicelulares. “Se han encontrado fagos grandes antes, pero fueron hallazgos puntuales”, dice el coautor del estudio, Rohan Sachdeva. Sachdeva es bioinformática en el laboratorio de Banfield. “Lo que encontramos en este artículo es que son esencialmente ubicuos. Los encontramos en todas partes ". Esto sugiere que los fagos enormes no son una anomalía, sino una parte fundamental de los muchos ecosistemas de la Tierra.
Secretos del genoma del fago
Los fagos pequeños contienen solo los genes más esenciales para usar las células huésped para producir más fagos. Esto incluye genes que hacen que el proteínas piezas del cuerpo del fago.
"Con el tamaño del genoma más grande, también se obtiene un inventario de genes mucho mayor", explica el coautor del estudio, Basem Al-Shayeb, estudiante de posgrado en el laboratorio de Banfield. Encontraron genes con funciones esperadas, como redirigir a las células huésped de hacer copias de su propio ADN a hacer ADN de fagos o hacer que las células huésped estallen cuando están llenas de nuevas partículas de fagos. Sorprendentemente, también encontraron genes CRISPR-Cas en muchos de los fagos.
El sistema CRISPR-Cas evolucionó como una forma de que los organismos unicelulares se defendieran de los fagos. En la naturaleza, los sistemas CRISPR-Cas reconocen el ADN del fago y lo cortan, evitando que se apodere de la célula huésped.
Banfield y sus colegas encontraron la mayoría de los tipos CRISPR-Cas conocidos en fagos, así como nuevas variantes de genes Cas. ¿Qué está haciendo un sistema de defensa anti-fagos? dentro genomas de fagos? Banfield sospecha que los fagos usan CRISPR para combatir otros fagos que compiten por la misma célula huésped. En otras palabras, un fago usa CRISPR para defender la célula huésped de otros fagos, de modo que pueda obtener los recursos de la célula huésped para sí mismo. Algunos fagos también contenían anti-CRISPR. Los anti-CRISPR podrían inhibir los sistemas CRISPR-Cas del huésped que, de otro modo, cortarían el ADN del fago.
Encontrar nuevas herramientas CRISPR
Los investigadores ahora están trabajando para hacer crecer los enormes fagos en sus laboratorios. Quieren estudiar más a fondo qué hacen sus genes. “Uno de nuestros objetivos es acceder a la diversidad biológica de la manera más completa posible”, dice Banfield. “¿Qué están haciendo con estos genes? La sensación que tenemos al observar estos genomas grandes es que los fagos han adquirido muchos genes y vías diferentes, algunos de los cuales podemos predecir, algunos de los cuales no podemos, para tomar realmente el control de la función de los huéspedes bacterianos durante la infección ".
Estos fagos también pueden ser un nuevo depósito de herramientas CRISPR-Cas que podrían usarse para ingeniería del genoma. Banfield explica: "Debido a que todavía son pequeños en comparación con los genomas bacterianos, esperamos encontrar genes compactos y eficientes que tengan un gran atractivo para la edición del genoma".
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Este estudio fue publicado en la edición en línea de la revista. Artículo en Nature como "Clados de fagos enormes de todos los ecosistemas de la Tierra.”Además de Banfield, Al-Shayeb y Sachdeva, otros autores son LinXing Chen, Fred Ward, Patrick Munk, Audra Devoto, Cindy J. Castelle, Matthew R. Olm, Keith Bouma-Gregson, Yuki Amano, Christine He, Raphaël Méheust, Brandon Brooks, Alex Thomas, Adi Lavy, Paula Matheus-Carnevali, Christine Sun, Daniela SA Goltsman, Mikayla A. Borton, Tara C. Nelson, Rose Kantor, Alexander L.Jaffe, Ray Keren, Ibrahim F. Farag, Shufei Lei, Kari Finstad, Ronald Amundson, Karthik Anantharaman, Jinglie Zhou, Alexander J. Probst, Mary E. Power, Susannah G. Tringe, WenJun Li, Kelly Wrighton, Sue Harrison, Michael Morowitz, David A. Relman, Jennifer Doudna, Anne Catherine Lehours, Lesley Warren, Jamie HD Cate y Joanne M. Santini.
Esta investigación fue financiada por el Innovative Genomics Institute, University of California, Berkeley, el Joint Genome Institute, Stanford University, Technical University of Denmark, Colorado State University, University of Toronto, Sun YatSen University, University of Cape Town, University of Pittsburgh School de Medicina, Université Clermont Auvergne, Instituto de Biología Estructural y Molecular del University College London, Instituto Nacional de Alimentos y Agencia Japonesa de Energía Atómica.
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. El IGI prevé un mundo en el que las innovaciones en ingeniería del genoma beneficien a la humanidad y sean accesibles para todos. 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
Megan Hochstrasser: megan.hochstrasser@berkeley.edu
Jill Banfield: jbanfield@berkeley.edu
Basem Al-Shayeb: basem@berkeley.edu
