Uno de los avances biológicos más comentados en la última década fue el descubrimiento de la herramienta de edición del genoma CRISPR / Cas9, que puede alterar el ADN y potencialmente eliminar las causas de muchas enfermedades hereditarias.
Originalmente encontrado como parte del sistema inmune de la bacteria Streptococcus pyogenes, la proteína 9 asociada a CRISPR CAS9, en su estado nativo, reconoce secuencias de ADN extrañas y las desactiva.
En las bacterias, el sistema se usa para atacar el ADN viral extraño de los bacteriófagos, ADN que ya ha reconocido como enemigo a través de su historia evolutiva y ha incorporado un registro de él en su propio ADN.
CRISPR repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente entrelazadas, pronunciadas "más nítidas" representan segmentos de ADN que contienen repeticiones cortas de secuencias de bases seguidas de segmentos cortos de "ADN espaciador" derivados de exposiciones previas a ADN extraño. El complejo consiste en proteínas quedesentrañar el ADN, otros que cortan la doble hélice en una ubicación específica y un ARN guía que puede reconocer el ADN enemigo en la célula.
Los investigadores que estudian este antiguo sistema inmune se dieron cuenta de que, al cambiar la secuencia del ARN guía para que coincida con un objetivo dado, podría usarse para cortar no solo el ADN viral, sino cualquier secuencia de ADN en un lugar elegido con precisión. Además, nuevas seccionesde ADN podría introducirse para unirse a las secciones recién cortadas.
El método fue concebido y desarrollado por primera vez por Jennifer Doudna Universidad de California, Berkeley y Emmanuelle Charpentier Universidad de Umeå y se ha utilizado en células cultivadas, incluidas las células STEM, y en huevos fertilizados para crear animales transgénicos conmutaciones que ayudan a estudiar las funciones genéticas. CRISPR / Cas9 puede afectar muchos genes a la vez, lo que permite el tratamiento de enfermedades que implican la interacción de muchos genes.
El método está mejorando rápidamente y se espera que algún día tenga aplicaciones en investigación básica, desarrollo de medicamentos, agricultura y tratamiento de pacientes humanos con enfermedades genéticas.
Sin embargo, la creación de mutaciones CRISPR / Cas9 dirigidas actualmente es costoso y requiere mucho tiempo, particularmente para estudios a gran escala. El proceso también es propenso a errores, lo que limita su uso generalizado. Estos problemas surgen, en parte, de una falta de comprensión totalde cómo funciona CRISPR / Cas9 a nivel molecular.
En noviembre, un equipo de investigación de la Universidad del Norte de Texas UNT dirigido por Jin Liu utilizó la supercomputadora Maverick en el Centro de Computación Avanzada de Texas TACC para realizar las primeras simulaciones de dinámica molecular de todos los átomos de la escisión de ADN catalizada por Cas9en acción.
Las simulaciones, reportadas en Informes científicos de la naturaleza , arrojan luz sobre el proceso de edición del genoma de Cas9. También ayudaron a resolver controversias sobre aspectos específicos del corte: como dónde ocurren con precisión las ediciones y si Cas9 genera interrupciones de extremos romos o escalonados con salientes en el ADN.
"En este momento hay bastantes problemas en cómo usamos esto en las aplicaciones terapéuticas. La especificidad y eficiencia de la enzima no son altas", dijo Liu. "También es difícil llevar la enzima a la posición de laedición de genes. Para resolver estos problemas, primero, necesitamos saber cómo funciona esta enzima. Nuestra investigación está proporcionando la base para la comprensión del mecanismo de Cas9 ".
Los científicos habían determinado previamente la estructura de Cas9 en su estado inactivo mediante cristalografía de rayos X, pero el proceso de edición de genes ocurre tan rápido que ninguna técnica experimental podría capturar sus cambios de estado y determinar exactamente cómo funciona.
Utilizando simulaciones de dinámica molecular: un método para estudiar la dinámica de las moléculas simulando las interacciones de un gran número de átomos durante un tiempo fijo, Liu y el coautor Zhicheng Zuo, también en UNT, pudieron observar los cambiosen la enzima Cas9 en resolución de femtosegundos y captura la transición al estado activo del sistema.
Las simulaciones incluyeron iones Mg2 +, que se cree que inducen los cambios de conformación en Cas9 para que pueda funcionar. Los investigadores plantearon la hipótesis de que los iones Mg2 + inducen el cambio conformacional a un estado activo al facilitar la proximidad de los sitios activos de Cas9 y el ADN.
Las simulaciones que Liu y Zuo realizaron en Maverick abarcaron 280,000 átomos que interactúan. La parte más difícil, según Liu, fue muestrear efectivamente espacios de conformación para localizar el estado activo.
"Hicimos todo lo posible para mejorar la confiabilidad de nuestros resultados de simulación", dijo Liu. "Hicimos varias trayectorias largas de 200 y 300 nanosegundos, y también hicimos varias trayectorias cortas de 60 nanosegundos, para asegurarnos de tener resultados consistentes.cada configuración, realizamos al menos seis simulaciones paralelas "
Además de estudiar cómo el complejo CRISPR / Cas9 cambia a su estado activo, las simulaciones arrojan una luz sobre dónde cortó el ADN.
"Normalmente la gente cree que se corta en una posición, pero no hay evidencia clara que lo demuestre", dijo Liu, profesor asistente de Ciencias Farmacéuticas en la UNT. "Usando nuestros métodos computacionales, determinamos que el corte ocurre en otra posición, quepodría significar que esta enzima podría cortar el ADN de una manera más controlable. Entonces, al hacer este trabajo, abrimos la puerta para diseñar una enzima más eficiente que pueda cortar el ADN de una manera más específica ".
Su contribución final respondió si la edición del genoma generaba extremos romos o extremos escalonados, una pregunta no resuelta con implicaciones prácticas.
CRISPR / Cas9 corta ambas mitades de un ADN bicatenario. Si corta en la misma posición en ambas hebras, generaría extremos romos; si corta en una posición ligeramente diferente, crearía extremos escalonados. Sus simulaciones sugirieron CRISPR/ CAS9 crea extremos escalonados.
"Esto será bastante crítico para la edición de genes porque el ADN con extremos escalonados es más controlable que el ADN con extremos romos", dijo.
Iok-Hou Pang, presidente de Ciencias Farmacéuticas de la UNT, utiliza CRISPR / Cas9 para realizar investigaciones oculares experimentales en su laboratorio. Para su investigación actual y futura, ve el valor de una comprensión más clara del comportamiento de la enzima.
"Mi laboratorio ha estado usando el sistema de edición de genes CRISPR / Cas9 para derribar una proteína nueva en células astrogliales de nervio óptico de ratón cultivadas", dijo Pang. "El trabajo del Dr. Liu nos ayudará a comprender la interacción molecular entre el sistema enzimático y susustrato y eventualmente ayudará a mejorar su eficiencia, lo cual es tremendamente útil para esta maravillosa técnica molecular ".
En 2015, bajo los auspicios de las Academias Nacionales de Ciencia, los científicos mundiales declararon una moratoria sobre el uso de CRISPR / Cas9 para editar el genoma humano de forma que pudiera heredarse aunque hay indicios de que los investigadores ya han incumplido este mandato.Dijeron que se sabía muy poco sobre el proceso y los efectos a largo plazo de hacerlo, pero la investigación como la de Liu podría algún día desempeñar un papel en el ajuste de estas herramientas y hacerlas factibles para el uso humano.
"Estamos tratando de entender el mecanismo de la enzima de edición del genoma que podría tener un gran potencial hacia futuras aplicaciones farmacéuticas y terapéuticas y que podría acercarnos a una posición en la que esta tecnología podría usarse en enfermedades humanas", dijo Liu "Sin los recursos de TACC esta investigación sería imposible de realizar "
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Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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