Un conjunto diverso de especies, desde caracoles hasta algas y amebas, producen enzimas cortadoras de ADN programables llamadas Fanzors, y un nuevo estudio realizado por científicos del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT ha identificado miles de ellas. Los fanzors son enzimas guiadas por ARN que pueden programarse para cortar el ADN en sitios específicos, de manera muy similar a las enzimas bacterianas que impulsan el sistema de edición de genes ampliamente utilizado conocido como CRISPR. La diversidad recientemente reconocida de enzimas naturales Fanzor, informada el 27 de septiembre en la revista Science Advances, brinda a los científicos un amplio conjunto de enzimas programables que podrían adaptarse a nuevas herramientas para la investigación o la medicina.
“La biología guiada por ARN es lo que permite crear herramientas programables que son realmente fáciles de usar. Así que cuanto más podamos encontrar, mejor”, dice Omar Abudayyeh, miembro de McGovern, quien dirigió la investigación junto con Jonathan Gootenberg, miembro de McGovern.
CRISPR, un antiguo sistema de defensa bacteriano, ha dejado claro lo útiles que pueden ser las enzimas guiadas por ARN cuando se adaptan para su uso en el laboratorio. Las herramientas de edición del genoma basadas en CRISPR desarrolladas por el profesor del MIT e investigador de McGovern Feng Zhang, Abudayyeh, Gootenberg y otros han cambiado la forma en que los científicos modifican el ADN, acelerando la investigación y permitiendo el desarrollo de muchas terapias genéticas experimentales.
Desde entonces, los investigadores han descubierto otras enzimas guía de ARN en todo el mundo bacteriano, muchas de ellas con características que las hacen valiosas en el laboratorio. El descubrimiento de Fanzors, cuya capacidad para cortar ADN de forma guiada por ARN fue informada por el grupo de Zhang a principios de este año, abre una nueva frontera en la biología guiada por ARN. Los fanzors fueron las primeras enzimas de este tipo que se encontraron en organismos eucariotas, un amplio grupo de formas de vida, incluidas plantas, animales y hongos, definidos por el núcleo rodeado de membrana que contiene el material genético de cada célula. Las bacterias, que carecen de núcleo, pertenecen a un grupo conocido como procariotas.
“La gente lleva mucho tiempo buscando herramientas interesantes en los sistemas procarióticos y creo que ha resultado increíblemente fructífero”, afirma Gootenberg. “Los sistemas eucariotas son en realidad un nuevo tipo de campo de juego en el que trabajar”.
Una esperanza, dicen Abudayyeh y Gootenberg, es que las enzimas que evolucionaron naturalmente en organismos eucariotas podrían ser más adecuadas para funcionar de manera segura y eficiente en las células de otros organismos eucariotas, incluidos los humanos. El grupo de Zhang ha demostrado que las enzimas Fanzor pueden diseñarse para cortar con precisión secuencias de ADN específicas en células humanas. En el nuevo trabajo, Abudayyeh y Gootenberg descubrieron que algunos Fanzors pueden apuntar a secuencias de ADN en células humanas incluso sin optimización. “Fue realmente fantástico observar el hecho de que funcionan de manera bastante eficiente en células de mamíferos”, dice Gootenberg.
Antes del estudio actual, se habían encontrado cientos de Fanzors entre organismos eucariotas. A través de una búsqueda exhaustiva en bases de datos genéticas dirigida por el miembro del laboratorio Justin Lim, el equipo de Gootenberg y Abudayyeh ha ampliado la diversidad conocida de estas enzimas en un orden de magnitud.
Entre los más de 3.600 Fanzors que el equipo encontró en eucariotas y los virus que los infectan, los investigadores pudieron identificar cinco familias diferentes de enzimas. Al comparar la composición precisa de estas enzimas, encontraron evidencia de una larga historia evolutiva.
Los fanzors probablemente evolucionaron a partir de enzimas bacterianas cortadoras de ADN guiadas por ARN llamadas TnpB. De hecho, fueron las similitudes genéticas de Fanzors con estas enzimas bacterianas las que primero llamaron la atención tanto del grupo de Zhang como del equipo de Gootenberg y Abudayyeh.
Las conexiones evolutivas que Gootenberg y Abudayyeh rastrearon sugieren que estos predecesores bacterianos de Fanzors probablemente entraron en las células eucariotas, iniciando su evolución, más de una vez. Algunos probablemente fueron transmitidos por virus, mientras que otros pueden haber sido introducidos por bacterias simbióticas. La investigación también sugiere que después de que fueron absorbidas por los eucariotas, las enzimas desarrollaron características adecuadas a su nuevo entorno, como una señal que les permite ingresar al núcleo celular, donde tienen acceso al ADN.
A través de experimentos genéticos y bioquímicos dirigidos por el estudiante graduado en ingeniería biológica Kaiyi Jiang, el equipo determinó que los Fanzors han desarrollado un sitio activo de corte de ADN que es distinto del de sus predecesores bacterianos. Esto parece permitir que la enzima corte su secuencia objetivo con mayor precisión. Los ancestros de TnpB, cuando se dirigen a una secuencia de ADN en un tubo de ensayo, se activan y cortan otras secuencias en el tubo. Los fanzors carecen de esta actividad promiscua. Cuando utilizaron una guía de ARN para dirigir las enzimas a cortar sitios específicos en el genoma de las células humanas, descubrieron que ciertos Fanzors podían cortar estas secuencias objetivo con aproximadamente un 10 a un 20% de eficiencia.
Con más investigaciones, Abudayyeh y Gootenberg esperan que se pueda desarrollar una variedad de herramientas sofisticadas de edición del genoma a partir de Fanzors. “Es una plataforma nueva y tienen muchas capacidades”, dice Gootenberg.
“Abrir todo el mundo eucariota a este tipo de sistemas guiados por ARN nos dará mucho en qué trabajar”, añade Abudayyeh.
Fuente: Phys.org.
