Los investigadores desarrollan un «mini» sistema de edición del genoma CRISPR
Los bioingenieros reutilizaron un sistema CRISPR «no funcional» para crear una versión más pequeña de la herramienta de ingeniería del genoma. Su pequeño tamaño debería facilitar la administración en células, tejidos y cuerpos humanos para la terapia génica.
Por Taylor Kubota
La analogía común para la edición de genes CRISPR es que funciona como tijeras moleculares, cortando secciones seleccionadas de ADN. Stanley qi, profesor asistente de bioingeniería en la Universidad de Stanford, le gusta esta analogía, pero cree que es hora de reinventar CRISPR como una navaja suiza.
“CRISPR puede ser tan simple como un cortador o más avanzado que un regulador, editor, etiquetador o generador de imágenes. Están surgiendo muchas aplicaciones de este apasionante campo ”, dijo Qi, quien también es profesor asistente de química y biología de sistemas en el campo. Escuela de Medicina de Stanford y un Stanford ChEM-H erudito del instituto.
Sin embargo, los diferentes sistemas CRISPR utilizados o probados clínicamente para la terapia génica de enfermedades del ojo, el hígado y el cerebro siguen siendo de alcance limitado porque todos padecen el mismo defecto: son demasiado grandes y, por lo tanto, demasiado difíciles. introducido en células, tejidos u organismos vivos.
En un artículo del 3 de septiembre publicado en Molecular Cell, Qi y sus colegas anuncian lo que creen que es un gran paso adelante para CRISPR: un mini sistema CRISPR eficiente y versátil. Si bien los sistemas CRISPR de uso común, con nombres como Cas9 y Cas12a que denotan varias versiones de proteínas asociadas a CRISPR (Cas), constan de alrededor de 1000 a 1500 aminoácidos, su «CasMINI» tiene 529.
Los investigadores confirmaron en experimentos que CasMINI podría suprimir, activar y modificar el código genético, al igual que sus contrapartes más robustas. Su pequeño tamaño significa que debería ser más fácil de administrar a las células humanas y al cuerpo humano, lo que lo convierte en una herramienta potencial para tratar una variedad de dolencias, incluidas las enfermedades oculares, la degeneración de órganos y las enfermedades genéticas en general.
Esfuerzos persistentes
Para hacer que el sistema sea lo más pequeño posible, los investigadores decidieron comenzar con la proteína CRISPR Cas12f (también conocida como Cas14), ya que solo contiene alrededor de 400-700 aminoácidos. Sin embargo, al igual que otras proteínas CRISPR, Cas12f se deriva naturalmente de arqueas, organismos unicelulares, lo que significa que no se adapta bien a las células de mamíferos, y mucho menos a las células o los cuerpos humanos. Se sabe que sólo unas pocas proteínas CRISPR funcionan en células de mamíferos sin modificación. Desafortunadamente, CAS12f no es uno de ellos. Esto lo convierte en un desafío atractivo para bioingenieros como Qi.
“Pensamos, ‘Está bien, millones de años de evolución no han podido convertir este sistema CRISPR en algo que funcione en el cuerpo humano. ¿Podemos cambiar eso en solo uno o dos años? Dijo Qi. “Que yo sepa, hemos transformado, por primera vez, un CRISPR no funcional en un CRISPR funcional. «
De hecho, Xiaoshu Xu, investigador postdoctoral en el laboratorio de qi y el autor principal del artículo, no vieron actividad de Cas12f natural en células humanas. Xu y Qi plantearon la hipótesis de que el problema era que el ADN en el genoma humano es más complicado y menos accesible que el ADN microbiano, lo que dificulta que Cas12f encuentre su objetivo en las células. Al examinar la estructura computacional pronosticada del sistema Cas12f, seleccionó cuidadosamente alrededor de 40 mutaciones en la proteína que podrían evitar esta limitación y estableció una línea para probar muchas variantes de proteínas a la vez. Una variante funcional, en teoría, haría que una célula humana se volviera verde activando la proteína verde fluorescente (GFP) en su genoma.
“Al principio, este sistema no funcionó en absoluto durante un año”, dijo Xu. «Pero después de iteraciones de bioingeniería, vimos que algunas proteínas modificadas comenzaban a activarse, como por arte de magia. Realmente nos hizo apreciar el poder de la biología sintética y la bioingeniería».
Los primeros resultados positivos fueron modestos, pero entusiasmaron a Xu y la animaron a seguir adelante porque significaba que el sistema estaba funcionando. Durante muchas más iteraciones, pudo mejorar aún más el rendimiento de la proteína. “Comenzamos viendo solo dos células que mostraban una señal verde, y ahora, después de la ingeniería, casi todas las células son verdes bajo el microscopio”, dijo Xu.
“En un momento tuve que detenerlo”, recuerda Qi. “Le dije: ‘Está bien por ahora. Has hecho un muy buen sistema. Deberíamos pensar en cómo se puede utilizar esta molécula para aplicaciones.
Además de la ingeniería de proteínas, los investigadores también diseñaron el ARN que guía a la proteína Cas hacia su ADN objetivo. Las modificaciones realizadas en ambos componentes fueron cruciales para que el sistema CasMINI funcione en las células humanas. Probaron la capacidad de CasMINI para suprimir y modificar genes en células humanas en el laboratorio, incluidos genes relacionados con la infección por VIH, la respuesta inmune antitumoral y la anemia. Funcionó en casi todos los genes que probaron, con respuestas sólidas en varios.
Abrir la puerta
Los investigadores ya han comenzado a establecer colaboraciones con otros científicos para buscar terapias genéticas. También están interesados en cómo podrían contribuir a los avances en las tecnologías de ARN, como lo que se ha utilizado para desarrollar vacunas de ARNm de COVID-19, donde el tamaño también puede ser un factor limitante.
«Esta capacidad para diseñar estos sistemas ha sido deseada en el campo desde los primeros días de CRISPR, y siento que hemos hecho nuestra parte para avanzar hacia esa realidad», dijo Qi. “Y este enfoque de ingeniería puede ser muy útil. Eso es lo que me emociona: abrir la puerta a nuevas posibilidades.
Otros coautores del artículo en Stanford son los estudiantes graduados Augustine Chemparathy y Hannah Kempton, y los becarios postdoctorales Leiping Zeng, Stephen Shang y Muneaki Nakamura. Qi también es miembro de Stanford Bio-X. los Instituto de Investigación en Salud Materno Infantil (MCHRI), los Instituto de cáncer de Stanford y el Instituto de Neurociencia Wu Tsai. Esta investigación fue financiada por la Fundación Li Ka Shing.
