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La nueva frontera 'audaz' de IGI para CRISPR: edición de microbiomas para el clima y la salud
La financiación de $ 70 millones catalizará una nueva y audaz iniciativa dirigida por Jennifer Doudna y Jill Banfield para aplicar la edición precisa del genoma a las comunidades microbianas.
El Proyecto audaz, una iniciativa alojada en TED, alienta a los mayores agentes de cambio del mundo a soñar en grande. Una nueva iniciativa liderada por Jennifer Doudna y Jill Banfield en el Innovative Genómica Institute y anunciado hoy en la Conferencia TED en Vancouver es un gran sueño que utiliza las herramientas más pequeñas: microbios.
La iniciativa de investigación, “Engineering the microbioma con CRISPR para mejorar nuestro clima y salud”, recibirá $70 millones en fondos de donantes, lo que lo convierte en el proyecto científico más grande financiado a través de The Audacious Project hasta la fecha. Implica una estrecha colaboración entre tres campus de la Universidad de California (UC), el Instituto de Genómica Innovadora (IGI) en UC Berkeley, UC Davis y UC San Francisco, que aprovecha las fortalezas de cada institución.
“Esta iniciativa de vanguardia aprovechará la destreza de investigación de la Universidad de California para resolver problemas del mundo real en áreas que nos afectan a todos: sustentabilidad y salud”, dice el presidente de la Universidad de California, Michael V. Drake, MD. “Estoy muy complacido de ver varias entidades de UC trabajando en colaboración para desarrollar e implementar nuevas tecnologías para el bien público. Estoy agradecido con nuestros socios filantrópicos por apoyar la investigación impactante que cambiará el mundo para mejor”.
Los dos líderes del proyecto tienen una conexión única: Doudna es mejor conocida por su innovador trabajo en el desarrollo de CRISPR edición del genoma, por la que recibió el Premio Nobel de Química en 2020; Banfield estudió comunidades microbianas durante décadas y presentó a Doudna por primera vez a los sistemas CRISPR en bacterias fotosintéticas, en una reunión fortuita en un café de UC Berkeley en 2006. Ahora, están reuniendo sus especialidades para desarrollar un nuevo conjunto de herramientas para abordar los problemas globales en el clima y la salud humana mediante la aplicación de CRISPR genoma, edición a comunidades microbianas complejas conocidas como "microbiomas".
"Esta es una nueva y emocionante frontera para CRISPR”, dice Doudna. “Las herramientas de precisión que estamos desarrollando nos ayudarán a comprender cómo funcionan los microbiomas en el nivel fundamental. Y podemos aprovechar ese conocimiento para abordar los problemas causados por los microbios”.
El impacto de gran tamaño de los microbios en miniatura
Aunque invisibles a simple vista, los microbios (bacterias, hongos, virus, y otros organismos microscópicos, están en todas partes. Representan la gran mayoría de la diversidad de la vida y dan forma al mundo de maneras significativas pero a menudo pasadas por alto. Si bien los científicos históricamente han estudiado los microbios individualmente, comúnmente viven en comunidades complejas, o microbiomas, en el entorno que nos rodea e incluso en nuestros cuerpos. De hecho, hay más microbios células en nuestro cuerpo que las células humanas, y dependemos de ellas para una variedad de funciones, pero cuando están desequilibradas, los microbiomas también pueden crear problemas.
Hay una comprensión cada vez mayor en la comunidad médica de que los microbiomas en nuestro intestino, nuestras vías respiratorias y nuestra piel pueden afectar significativamente los problemas de salud, incluidos el asma, las alergias, la obesidad, las enfermedades cardiovasculares y los trastornos neurológicos como la enfermedad de Alzheimer. Estos problemas de salud afectan a cientos de millones de personas en todo el mundo y, en muchos casos, afectan de manera desproporcionada a las personas de color y las comunidades de bajos ingresos.
Los microbiomas también representan una fuente importante y en gran medida desatendida de emisiones globales de gases de efecto invernadero. Los microbios del ganado, los suelos agrícolas y los vertederos emiten metano y óxido nitroso. Los eructos de las vacas se señalan comúnmente como una fuente importante de metano, pero esos eructos en realidad se originan a partir de microbios productores de metano en los intestinos de los animales.
Nos impulsa el potencial de impacto: una sola tecnología novedosa podría crear nuevas intervenciones tanto para la salud humana como para combatir el cambio climático.
Actualmente, las herramientas que tenemos para abordar los microbiomas que causan problemas son contundentes. Los antibióticos acaban con poblaciones enteras de bacterias beneficiosas y dañinas, los probióticos tienen un impacto limitado y los trasplantes fecales se han mostrado prometedores en áreas específicas, pero enfrentan preocupaciones con respecto a la seguridad y la aceptación.
El equipo de IGI está desarrollando un nuevo enfoque revolucionario para controlar con precisión los microbiomas basándose en dos métodos de última generación iniciados por Doudna y Banfield que se han desarrollado significativamente durante la última década: la edición del genoma CRISPR y la resolución del genoma. metagenómica. Menos del 1 por ciento de las especies microbianas se pueden cultivar en el laboratorio, pero la metagenómica resuelta del genoma elimina la necesidad de cultivar especies individuales una por una al proporcionar un mapa detallado de todos los organismos en un microbioma y las funciones de su los genes. Banfield y sus colaboradores utilizaron estas técnicas en un artículo de 2016 en Naturaleza Microbiología desarrollar un imagen nueva y más clara del árbol de la vida, mostrando cuánto del árbol está dominado por microbios invisibles.
El emparejamiento de la metagenómica resuelta por el genoma con la edición del genoma CRISPR brinda la oportunidad y el conocimiento necesario para ajustar los microbiomas al realizar cambios altamente específicos en genes específicos en microbios específicos.
"letra singular es el manual de instrucciones de un organismo y CRISPR es una herramienta que puede reescribir los manuales para cambiar fundamentalmente la forma en que funcionan los organismos”, dice Banfield. "La metagenómica resuelta por el genoma es la forma en que podemos leer el manual de instrucciones de cualquier organismo y ha sacado a la luz decenas de miles de organismos que ni siquiera sabíamos que existían".
En un Artículo de 2022 en Nature Microbiology, Doudna, Banfield y sus equipos demostraron por primera vez que podían editar genes con precisión directamente dentro de microbiomas complejos, incluidos sistemas modelo que replicaban microbiomas del suelo natural y del intestino infantil. La nueva iniciativa se basa en ese trabajo y se centra en perfeccionar el conjunto de herramientas en una plataforma de edición de microbiomas de precisión, así como en crear una nueva clase de intervenciones para tratar y prevenir enfermedades humanas y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para ayudar a alcanzar los objetivos climáticos globales.
| Más información: Edición de microbiomas de precisión 101 |
Pequeños emisores de gases de efecto invernadero, gran impacto
El metano es uno de los gases de efecto invernadero más problemáticos que surgen de la actividad humana, mucho más potente para calentar la atmósfera que el dióxido de carbono y responsable del 30 por ciento del aumento de la temperatura global desde la Revolución Industrial. Al igual que el problema del eructo de las vacas, las emisiones de metano de los vertederos, las lagunas de desechos y los arrozales también se originan en microbios productores de metano. Más de la mitad de las emisiones de metano impulsadas por humanos son de origen microbiano y comparten otro rasgo clave: actualmente no tenemos las herramientas para lidiar con ellas a escala global.
Solo el ganado representa casi el 15 por ciento de todas las emisiones de gases de efecto invernadero provocadas por el hombre, lo que convierte a la agricultura animal en una pieza clave del rompecabezas del cambio climático. Matthias Hess y Ermias Kebreab en UC Davis, que son co-PI que dirigen la parte de emisiones de metano del ganado de la nueva iniciativa, están liderando investigadores en intervenciones dietéticas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero del ganado. Una intervención particular es efectiva en vacas: algas rojas. Alimentar a las vacas con un tipo específico de algas rojas disminuye la expresión de genes productores de metano en microbios específicos en el intestino de la vaca, lo que resultó en una caída dramática en las emisiones de metano. Proporcionar suficientes algas para el consumo diario de la población mundial de vacas es una tarea abrumadora y lo más probable es que no funcione para el ganado de pastoreo que constituye la mayoría del ganado en todo el mundo. Sin embargo, una intervención temprana con CRISPR podría resultar en una vaca permanentemente baja en metano y proporcionar un tratamiento accesible para casi todos los terneros.
“La visión es llegar a un punto en el que un tratamiento oral administrado a un ternero joven pueda proporcionar una vida de bajas emisiones”, dice el director ejecutivo de IGI, Brad Ringeisen. “Para cumplir con la escala de la agricultura global, una solución debe ser simple y asequible para que genere el impacto que necesitamos”.
| Lea más de UC Davis: ¿Puede CRISPR reducir las emisiones de metano de las tripas de vaca? |
Prevención del asma infantil
El asma afecta a 300 millones de niños en todo el mundo. Podemos tratar los síntomas del asma, pero actualmente no tenemos tratamientos que puedan prevenirla o curarla. Sin embargo, conocemos un nuevo objetivo prometedor gracias a la investigación de Sue Lynch, co-investigadora investigadora sobre aplicaciones para el asma de la nueva iniciativa y directora de la Benioff Center for Microbiome Medicine en UCSF.
Lynch y sus colaboradores encontraron que las diferentes composiciones de microbiomas en los intestinos de los bebés aumentan el riesgo de desarrollar asma. La investigación de seguimiento identificó un compuesto inflamatorio específico producido por bacterias intestinales en niños que desarrollan asma y también identificó qué bacterias producen la mayor concentración de ese metabolito, objetivos prometedores para una intervención.
“Lo que hace que esta colaboración sea tan especial es que más allá de la promesa de la metagenómica resuelta en el genoma basada en microbiomas y CRISPR-Proteínas Cas tecnología, tenemos la infraestructura dentro del Benioff Center for Microbiome Medicine y la capacidad clínica en UCSF para la traducción estos enfoques en la terapéutica humana”, dice Lynch.
En los EE. UU., el desarrollo de esta terapia tendría el mayor impacto en las personas de color, quienes soportan de manera desproporcionada la carga del asma. A nivel mundial, tendría un impacto enorme en las personas de los países de ingresos bajos y medianos, donde ocurre la mayoría de las muertes relacionadas con el asma.
“El desarrollo de medicamentos basados en CRISPR para tratar las alergias y el asma es solo el comienzo, es una prueba de concepto. Hay muchas otras condiciones que podemos abordar en última instancia con este enfoque”, dice Lynch.
| Lea más de la UCSF: Edición de genes en el microbioma para prevenir enfermedades |
De las placas de Petri al mundo
Esta no es la primera vez que el IGI asume un proyecto que implica traducir un descubrimiento de laboratorio en una herramienta del mundo real. Una terapia basada en CRISPR para la enfermedad de células falciformes desarrollada en el IGI se encuentra actualmente en un ensayo clínico de fase I. Los productos agrícolas, incluida una variedad de arroz tolerante a la sequía, se están sometiendo a pruebas de campo.
“Nuestra iniciativa es 'Audaz'. Es nuevo, grande y audaz”, dice Doudna. “Nos impulsa el potencial de impacto: una sola tecnología novedosa podría crear nuevas intervenciones tanto para la salud humana como para combatir el cambio climático. Ese potencial es lo que me mantiene entusiasmado con la ciencia”.
Banfield comparte la visión de Doudna sobre el potencial de nuevos descubrimientos, incluso cuando el equipo inicialmente se enfoca en aplicaciones específicas.
“El mundo microbiano es vasto y todavía relativamente inexplorado”, dice Banfield. “Estas herramientas nos ayudarán a comprender el panorama genético de microbios cruciales, así como a identificar objetivos para futuras intervenciones”.
Para maximizar el impacto en todo el mundo, el equipo de IGI se ha comprometido a difundir sus aprendizajes y herramientas a la comunidad de investigación en general, y trabajar con organizaciones sin fines de lucro globales para ayudar a escalar este enfoque transformador.
Más información:
- Obtenga más información sobre las Iniciativa de Berkeley para la edición optimizada de microbiomas (BIOME) en el IGI
- Comunicado de prensa de UC Davis sobre las aplicaciones climáticas de la edición de microbiomas
- Comunicado de prensa de la UCSF sobre las aplicaciones de la edición de microbiomas en el asma y otros problemas de salud
- Aprenda más sobre la ciencia en Edición de microbiomas de precisión 101
| ¡Estamos contratando! Si usted es un investigador postdoctoral que está interesado en trabajar en este proyecto, consulte el página BIOMA y comuníquese con los laboratorios Cress, Diamond & Rubin para conocer las próximas oportunidades. |
Acerca del Proyecto Audaz
Lanzado en abril de 2018, El proyecto audaz es una iniciativa de financiación colaborativa que está catalizando el impacto social a gran escala. Ubicado en TED, la organización sin fines de lucro dedicada a Ideas que vale la pena difundir, y con el apoyo del asesor líder en impacto social The Bridgespan Group, The Audacious Project reúne a financiadores y emprendedores sociales con el objetivo de apoyar soluciones audaces para los desafíos más urgentes del mundo. El colectivo de financiación está formado por organizaciones e individuos respetados en la filantropía, incluida la Fundación Bill & Melinda Gates, ELMA Philanthropies, Emerson Collective, MacKenzie Scott, Skoll Foundation, Valhalla Foundation, Y mucho más.. Cada año, The Audacious Project apoya a una nueva cohorte. Los beneficiarios de 2023 son CAMFED, Canopy, Clean Slate Initiative, Global Fishing Watch, Innovative Genomics Institute, Migrants Resilience Collaborative de Jan Sahas, ReNew2030, Restore Local, Think of Us y Upstream USA.
Contacto para los medios: andy murdock, andymurdock@ucberkeley.edu
