Los silencios son potencialmente dorados en la búsqueda de antibióticos para frenar la actual crisis de resistencia en el tratamiento de enfermedades.
Los biocientíficos de la Universidad de Rice han diseñado nuevos interruptores de encendido y apagado para controlar los genes «silenciosos» en una cepa de bacterias. Su estrategia podría impulsar la búsqueda perpetua de nuevos antibióticos.
Los investigadores personalizaron herramientas CRISPR para controlar la expresión de genes en la bacteria Streptomyces que, en la naturaleza, solo se expresan cuando es necesario. Hasta ahora, el acceso a esos genes ha sido un desafío para los biólogos sintéticos.
«Cuando los laboratorios comenzaron a secuenciar los genomas de estos organismos que se sabía que producían uno o unos pocos antibióticos, nos dimos cuenta de que las vías responsables de la producción de antibióticos y otras moléculas de interés son mucho más abundantes de lo que se pensaba», dijo James Chappell. , profesor asistente de biociencias cuyo laboratorio estudia bacterias y formas de modificarlas.
«Ahora se prevé que cada cepa de Streptomyces pueda producir hasta 40 moléculas diferentes de interés, incluidos los antibióticos, en promedio», dijo.
El trabajo dirigido por Chappell y el estudiante graduado Andrea Ameruoso puede permitir que los laboratorios desarrollen rápidamente bibliotecas de posibles antibióticos para probar patógenos. Significativamente, dijeron que si bien CRISPR-Cas9 se ha utilizado para crear una plataforma para activar genes en organismos como Escherichia coli, esta es la primera vez que se aplica a Streptomyces.
Su estudio aparece en Investigación de ácidos nucleicos.
«Las bacterias como Streptomyces han evolucionado para producir antibióticos solo cuando es necesario, en ambientes naturales como el suelo», explicó Chappell. «Cuando los cultivamos en el laboratorio, es un entorno artificial y muy diferente a cómo crecen naturalmente, por lo que se silencian los conjuntos de genes.
«Son una especie de materia oscura genética», dijo. «No podemos aislar los productos químicos que expresan para realizar una pantalla funcional».
La nueva estrategia del laboratorio elimina la ardua tarea de exponer su bacteria de prueba de concepto, S. venezuelae, la fuente del antibiótico común cloranfenicol, a posibles desencadenantes de la expresión génica. «La tecnología de Andrea agrega reguladores sintéticos en la célula para estimular o reprimir artificialmente la expresión de estas vías», dijo Chappell.
«Ahora solo necesitamos una proteína y una pequeña porción de ARN y podemos ir a donde queramos para reprimir o activar directamente un objetivo determinado», agregó Ameruoso.
El surgimiento de la tecnología CRISPR, que adapta los mecanismos del sistema inmunitario bacteriano para ubicar genes específicos a lo largo de una cadena de ADN, simplificó el acceso a los grupos de genes previamente ocultos, dijo.
“Streptomyces es un género de bacterias que abarca hasta 500 especies, y cada especie puede tener entre 20 y 40 de estos grupos de genes capaces de producir antibióticos u otras moléculas de interés”, dijo Ameruoso. «Entonces, una vez que encontremos una manera de ampliar nuestra tecnología, puede ser increíblemente poderosa».
Chappell dijo que es una cuestión simple diseñar CRISPR para unirse a diferentes secuencias de ADN. «Lo explotamos para el control de la expresión génica», dijo. «Si queremos hacer esto en un montón de especies diferentes en un montón de caminos diferentes, en teoría debería ser posible. Por lo tanto, este documento sienta las bases para un nuevo tipo de enfoque».
Ameruoso dijo que está trabajando en una técnica fluorescente para observar la activación de cúmulos en tiempo real. «El principal desafío es que observar las profundidades de la activación de un grupo depende de la purificación de la molécula a partir de los extractos que generamos», dijo. «Ese es un proceso de bajo rendimiento que requiere mucho trabajo. Queremos desarrollar un reportero para observar una señal fluorescente cuando se activa una vía».
Los investigadores notaron que el proceso podría usarse para fabricar moléculas para agentes antifúngicos y anticancerígenos o para la agricultura. «Nos enfocamos en los antibióticos porque en algún momento de la historia, hemos observado que matan a los microbios», dijo Chappell. «Pero eso no es necesariamente para lo que evolucionaron, porque también se usan con frecuencia como señales de comunicación entre las células. Por lo tanto, hay muchos usos potenciales».
Dijo que el estudio demuestra un nuevo enfoque importante para la activación de vías silenciosas. «La visión para la próxima generación del trabajo es ir a lo grande», dijo. «Mostramos que funciona en una sola vía silenciosa. Ahora hagámoslo en las 40 vías de esta especie y luego hagámoslo en miles de microbios.
«El poder de CRISPR-Cas9 es que es realmente escalable para eso», dijo Chappell.
Los coautores del artículo son la estudiante graduada de Rice Maria Claudia Villegas Kcam y la alumna universitaria Katherine Cohen.
La Fundación Welch (C-1982-20190330) y una beca de investigación Alfred P. Sloan (FG-2018-10500) apoyaron la investigación.
