Al tomar una serie de instantáneas de resolución casi atómica, los científicos de la Universidad de Cornell y la Escuela de Medicina de Harvard han observado paso a paso cómo las bacterias se defienden de invasores extraños como el bacteriófago, un virus que infecta a las bacterias.
El proceso que observaron utiliza sitios CRISPR repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas, donde el ADN de la célula se puede cortar para insertar ADN adicional.
Los biólogos usan CRISPR para experimentos de ingeniería genética, pero las células pueden haber desarrollado el mecanismo como parte de un sistema de defensa. La célula usa estas ubicaciones para almacenar recuerdos moleculares de invasores para que puedan ser erradicados selectivamente en el próximo encuentro.
“El sistema de inmunidad del insecto funciona tan eficientemente como el nuestro, excepto que nuestro sistema funciona a nivel de reconocimiento de proteínas, mientras que CRISPR funciona a nivel de reconocimiento de ácidos nucleicos”, explicó Ailong Ke, profesor de biología molecular y genética.
En el primer encuentro, las bacterias insertan un poco del ADN de un invasor en su propio genoma en la ubicación CRISPR. Cuando sea necesario, una transcripción de ARN del ADN almacenado, llamada ARN guía, se puede ensamblar con otras proteínas en un complejo llamado CascadeComplejo asociado CRISPR para la defensa antiviral. El sistema es tan eficiente y preciso que los investigadores han pensado en formas de volver a utilizarlo para aplicaciones de edición del genoma, para introducir cambios en ubicaciones precisas del ADN. “Una revolución CRISPR se está extendiendo a través de la biología comohablamos ", dijo Ke.
En una investigación anterior, Ke había definido la función de los complejos proteína-ARN involucrados en el proceso y utilizó las instalaciones de cristalografía de rayos X de la Fuente de Sincrotrón de Alta Energía de Cornell CHESS para determinar su estructura. Yibei Xiao, investigadora postdoctoralen el laboratorio de Ke resolvió todo el proceso de inmunidad, paso a paso. "El siguiente paso es capturar instantáneas estructurales de estos pasos, para producir una película de alta definición de lo que está sucediendo", dijo Ke.
Ke colaboró con Maofu Liao, profesor asistente de biología celular en la Escuela de Medicina de Harvard, experto en el uso de un microscopio crioelectrónico para determinar estructuras de alta resolución de macromoléculas congeladas en una fina capa de hielo. Trabajando con la bacteria Thermobifidafusca, utilizado en la fermentación, el laboratorio de Ke preparó muestras que representan distintas etapas de la respuesta inmune. Liao y su investigador postdoctoral Min Luo congelaron estas muestras y tomaron instantáneas de alta resolución en cada paso. El estudio se centró en una versión particular de la defensa relacionada con CRISPRconocido como Tipo IE.
“Sabíamos aproximadamente cómo funciona, pero sin las estructuras no teníamos los detalles”, dijo Ke. “Una imagen vale más que mil palabras”.
"Los científicos plantearon la hipótesis de que estos estados existían, pero les faltaba la prueba visual de su existencia", dijo Luo. "Ahora, ver de verdad es creer".
Los hallazgos, publicados el 29 de junio en la revista celda , proporcione datos estructurales que puedan mejorar la eficiencia y precisión de las operaciones biomédicas CRISPR. Los aspectos de este mecanismo de defensa, en particular la forma en que busca sus objetivos de ADN, no estaban claros y han suscitado preocupaciones sobre los efectos no deseados fuera del objetivo y la seguridad de usarel mecanismo CRISPR-Cas para el tratamiento de enfermedades humanas.
“Para resolver problemas de especificidad, necesitamos comprender cada paso de la formación del complejo CRISPR”, dijo Liao.
“Para aplicar CRISPR en la medicina humana, debemos asegurarnos de que el sistema no se dirija accidentalmente a los genes incorrectos”, dijo Ke. “Nuestro argumento es que el sistema Tipo I es potencialmente más preciso que CRISPR-Cas9, porque verifica unun tramo más largo de secuencia antes de la acción, y el sistema divide la búsqueda de objetivos y la degradación en dos pasos, con características de seguridad integradas en el medio ”.
Hasta ahora, CRISPR tipo I ofrece una utilidad limitada para la edición de genes de precisión, pero puede usarse como una herramienta para combatir cepas de bacterias resistentes a los antibióticos.
Ke y Xiao fueron coautores de otro artículo en el mismo número de celda , con Ilya Finkelstein, profesor asistente de biociencias moleculares en la Universidad de Texas en Austin, para caracterizar cómo Cascade busca dianas en el nivel de una sola molécula.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Cornell . Original escrito por Bill Steele. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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