Hasta la fecha, las enzimas CRISPR se han utilizado para editar los genomas de un tipo de célula a la vez: cortan, eliminan o agregan genes a un tipo específico de célula dentro de un tejido u órgano, por ejemplo, oa un tipo demicrobio que crece en un tubo de ensayo.
Ahora, el grupo de la Universidad de California en Berkeley que inventó la tecnología de edición del genoma CRISPR-Cas9 hace casi 10 años ha encontrado una manera de agregar o modificar genes dentro de una comunidad de muchas especies diferentes simultáneamente, abriendo la puerta a lo que podría serllamada "edición de la comunidad".
Si bien esta tecnología todavía se aplica exclusivamente en entornos de laboratorio, podría usarse tanto para editar como para rastrear microbios editados dentro de una comunidad natural, como en el intestino o en las raíces de una planta donde se congregan cientos o miles de microbios diferentesEste seguimiento se vuelve necesario a medida que los científicos hablan de alterar genéticamente las poblaciones microbianas: insertar genes en microbios en el intestino para solucionar problemas digestivos, por ejemplo, o alterar el entorno microbiano de los cultivos para hacerlos más resistentes a las plagas.
Sin una forma de rastrear las inserciones de genes, usando un código de barras, en este caso, tales genes insertados podrían terminar en cualquier lugar, ya que los microbios comparten genes entre ellos de manera rutinaria.
"Romper y cambiar el ADN dentro de microorganismos aislados ha sido esencial para comprender lo que hace ese ADN", dijo el becario postdoctoral de UC Berkeley, Benjamin Rubin. "Este trabajo ayuda a llevar ese enfoque fundamental a las comunidades microbianas, que son mucho más representativas de cómo estos microbiosvivir y funcionar en la naturaleza. "
Si bien la capacidad de editar muchos tipos de células o microbios a la vez podría ser útil en los sistemas actuales a escala industrial; por ejemplo, biorreactores para cultivar células a granel, la aplicación más inmediata puede ser como una herramienta para comprenderla estructura de comunidades complejas de bacterias, arqueas y hongos, y el flujo de genes dentro de estas poblaciones diversas.
"Eventualmente, podemos eliminar los genes que causan enfermedades en las bacterias intestinales o hacer que las plantas sean más eficientes mediante la ingeniería de sus socios microbianos", dijo el becario postdoctoral Brady Cress. "Pero probablemente, antes de hacer eso, este enfoque daránosotros una mejor comprensión de cómo funcionan los microbios dentro de una comunidad ".
Rubin y Cress, ambos en el laboratorio de la inventora de CRISPR-Cas9, Jennifer Doudna, y Spencer Diamond, científica del proyecto en el Instituto de Genómica Innovadora IGI, son los primeros coautores de un artículo que describe la técnica que apareció hoy.6 de diciembre en la revista Microbiología de la naturaleza.
De censurar a editar
Diamond trabaja en el laboratorio de Jill Banfield, una geomicrobióloga que fue pionera en el campo de la secuenciación comunitaria o metagenómica: secuenciar todo el ADN en una comunidad compleja de microbios y ensamblar este ADN en los genomas completos de todos estos organismos, algunos de los cualesque probablemente nunca se hayan visto antes y muchos de los cuales son imposibles de cultivar en una placa de laboratorio.
La secuenciación metagenómica ha avanzado enormemente en los últimos 15 años. En 2019, Diamond reunió 10,000 genomas individuales de casi 800 especies microbianas a partir de muestras de suelo recolectadas de una pradera en el norte de California.
Pero él compara esto con realizar un censo de población: proporciona información incomparable sobre qué microbios están presentes en qué proporciones y qué funciones podrían realizar esos microbios dentro de la comunidad. Y le permite inferir interacciones complicadas entre los organismos y cómopueden trabajar juntos para lograr importantes beneficios para el ecosistema, como la fijación de nitrógeno. Pero estas observaciones son solo hipótesis; se necesitan nuevos métodos para probar estas funciones e interacciones a nivel comunitario, dijo Diamond.
"Existe esta idea de transferencias metabólicas: que ningún microbio individual está realizando una gran serie de funciones metabólicas, pero en su mayor parte, cada organismo individual está haciendo un solo paso de un proceso, y que tiene que haber alguna mano-de los metabolitos entre organismos ", dijo." Esta es la hipótesis, pero ¿cómo lo probamos realmente? ¿Cómo llegamos a un punto en el que ya no solo estamos mirando a los pájaros, en realidad podemos hacer algunas manipulaciones?y ver qué está pasando? Esta fue la génesis de la edición comunitaria ".
El equipo de investigación fue dirigido por Banfield, profesor de ciencia terrestre y planetaria de UC Berkeley y de ciencias ambientales, políticas y gestión, y Jennifer Doudna, profesora de biología celular y molecular y química de UC Berkeley, investigadora del Instituto Médico Howard Hughes y co-ganador del Premio Nobel de Química 2020 por la invención de edición del genoma CRISPR-Cas9.
El equipo desarrolló por primera vez un enfoque para determinar qué microbios en una comunidad son realmente susceptibles a la edición genética. La técnica de detección que desarrollaron Rubin y Diamond, llamada ET-seq secuenciación de transformación ambiental, utiliza como sonda un transposón o gen saltarín, que se inserta fácilmente al azar en muchos genomas microbianos. Al secuenciar el ADN de la comunidad antes y después de introducir el transposón, pudieron determinar qué especies de microbios podían incorporar el gen del transposón. El enfoque se basó en técnicas desarrolladas por el coautorAdam Deutschbauer en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. En un experimento que involucró a una comunidad de nueve microbios diferentes, insertaron con éxito el mismo transposón en cinco de ellos utilizando diferentes métodos de transformación.
Cress luego desarrolló un sistema de entrega dirigido llamado edición de ADN todo en uno CRISPR Cas transposasa guiada por ARN DART que usa una enzima CRISPR-Cas similar a CRISPR-Cas9 para ubicar una secuencia de ADN específica e insertar unatransposón con código de barras.
Para probar la técnica DART con una comunidad microbiana más realista, los investigadores tomaron una muestra de heces de un bebé y la cultivaron para crear una comunidad estable compuesta principalmente por 14 tipos diferentes de microorganismos. Pudieron editar individualmente E. coli cepas dentro de esa comunidad, dirigidas a genes que se han asociado con la enfermedad.
Los investigadores esperan emplear la técnica para comprender comunidades simples y artificiales, como una planta y su microbioma asociado, en una caja cerrada. Luego, pueden manipular genes comunitarios dentro de este sistema cerrado y rastrear el efecto en sus microbios con códigos de barras.. Estos experimentos son un aspecto de un programa de 10 años financiado por el Departamento de Energía llamado m-CAFE, para Análisis de Comunidades Microbianas y Evaluación Funcional en Suelos, que busca comprender la respuesta de un microbioma de pasto simple a cambios externos. Banfield,Doudna y Deutschbauer son parte del proyecto m-CAFE.
La investigación fue apoyada por m-CAFE DE-AC02-05CH11231 y el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud F32GM134694, F32GM131654.
Otros coautores del artículo son Alexander Crits-Christoph, Yue Clare Lou, Adair Borges, Haridha Shivram, Christine He, Michael Xu, Zeyi Zhou, Sara Smith, Rachel Rovinsky, Dylan Smock, Kimberly Tang, Netravathi Krishnappa y RohanSachdeva de UC Berkeley; Trenton Owens de Berkeley Lab; y Rodolphe Barrangou de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: el contenido puede editarse por estilo y longitud.
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