Hasta hace una década, los científicos no sabían que las bacterias tenían un sistema inmunitario complejo, uno que podía seguir el ritmo de la evolución en los virus llamados fagos que infectan a las bacterias. Eso cambió con el descubrimiento de lo que ahora es la bacteria más famosamecanismo inmunitario: CRISPR. Los científicos se dieron cuenta de que CRISPR es un editor de genes naturales, y ha revolucionado el mundo de la investigación biológica en miles de laboratorios de todo el mundo. Los investigadores ahora entienden que la mayoría de los microorganismos tienen sistemas inmunes sofisticados de los cuales CRISPR es solo un elemento;pero no ha habido una buena manera de identificar estos sistemas. En un estudio sistemático y masivo, el profesor Rotem Sorek y su equipo en el Instituto de Ciencia Weizmann han revelado la existencia de 10 mecanismos de defensa inmunitaria previamente desconocidos en bacterias ".descubrimos que son diferentes a todo lo que habíamos visto antes ", dice Sorek." Pero entre ellos, creemos, hay uno o dos que podrían tener el potencial de aumentar el gen editing toolbox, y otros que apuntan a los orígenes del sistema inmune humano ". Los resultados de su estudio fueron publicados recientemente en ciencia .
Las bacterias no pueden confiar solo en CRISPR en la guerra contra los fagos, explica Sorek, miembro del Departamento de Genética Molecular del Instituto. De hecho, muchos fagos tienen proteínas "anti-CRISPR" que cancelan la actividad CRISPR, lo que sugiere que otros sistemas toman el relevo.Sorek y su equipo comenzaron su búsqueda de estos sistemas mediante la creación de un programa informático que analizaría todos los genomas bacterianos que se han secuenciado, alrededor de 50,000 genomas en total. En lugar de buscar secuencias con características predefinidas, los algoritmos que crearon buscaronlas "firmas estadísticas" de genes involucrados en la defensa, por ejemplo, su ubicación en "islas de defensa" donde se encuentran varios genes relacionados con la defensa cerca uno del otro. Luego, porque los genes del sistema inmune rara vez funcionan solos, incluso en bacterias,los investigadores desarrollaron métodos analíticos informáticos complejos para comprender qué genes unen fuerzas y trabajan juntos para formar un sistema de defensa.
Una vez que redujeron los posibles genes de defensa de millones a varios cientos, los investigadores necesitaron probar los mecanismos candidatos que habían identificado. En lugar de intentar aislar las secuencias genéticas de cientos de bacterias diferentes, el equipo recurrió a la biología sintética:haciendo que los genes se hagan a pedido. Enviaron las cadenas de código genético - por un total de 400,000 bases, o "letras" de código genético - a un laboratorio comercial donde se sintetizaron docenas de diferentes sistemas multigénicos para su análisis.los sistemas se insertaron en bacterias de laboratorio que habían desactivado sus sistemas inmunes naturales. Luego, las bacterias fueron expuestas a fagos y otros elementos infecciosos para ver si el sistema de defensa trasplantado era viable. De los diversos sistemas que los investigadores examinaron, 10 estaban fuertemente protegidoslas bacterias de laboratorio de la infección, identificándolas como nuevos sistemas de defensa inmunológica.
Sorek dice que entre las diversas etapas del análisis por computadora y la experimentación, el estudio requirió el esfuerzo intensivo de seis personas que trabajan durante dos años en su laboratorio. El estudio fue dirigido por el Dr. Shany Doron y Sarah Melamed, con la participación intensivade Gal Ofir, la Dra. Azita Leavitt, la Dra. Anna Lopatina y la Dra. Gil Amitai. El equipo se reunió cada dos semanas para un "consejo de defensa" para discutir los diferentes brazos de la investigación y los mecanismos de defensa que habían descubierto.
Los investigadores aún no saben cómo funcionan los nuevos sistemas inmunes bacterianos, y algunos según Sorek, "parecen tener funciones sorprendentes que ahora estamos comenzando a investigar". Uno de estos sistemas contiene el receptor de interleucina Toll o TIR dominios. Ya se sabía que los dominios TIR estaban involucrados en el sistema inmunitario, pero hasta ahora no eran los microorganismos. Estos dominios son una parte integral del sistema inmunitario humano e incluso de las plantas, pero nunca antes se habían mostrado en bacteriasparticipar en la defensa antiviral ". Nuestros hallazgos muestran que algunas de las partes importantes de nuestro propio sistema inmune tienen profundas raíces evolutivas en los mecanismos de inmunidad bacteriana", dice Sorek.
Otros genes parecían haber sido "prestados" de sistemas bacterianos no defensivos. Uno de ellos, por ejemplo, es conocido por los flagelos que las bacterias usan para nadar. Estos genes proporcionan energía a los flagelos al permitirles absorber protones; uno de los nuevos sistemas de defensa encontrados en el laboratorio de Sorek utiliza estos genes para su protección contra los fagos. Otro, llamado condensina, generalmente protege el ADN durante la división celular, y los investigadores descubrieron un sistema de defensa que utiliza componentes del mecanismo de condensación para protegerbacterias contra la invasión de plásmidos: pequeños anillos de ADN que pueden parasitar las células bacterianas.
"El hecho de que hayamos logrado encontrar 10 nuevos sistemas de defensa bacteriana implica que hay aún más", dice Sorek. "Mi laboratorio continúa buscando nuevos. Además, estamos empezando a centrarnos en varios de losmás prometedores para entender cómo funcionan "
Sorek dice que los nuevos descubrimientos son emocionantes debido a las nuevas ventanas que brindan sobre la evolución de los sistemas inmunes y la eterna batalla entre los virus y los organismos que infectan. Pero también cree que algunos pueden resultar herramientas poderosas para la biologíainvestigación: "Todo sistema inmune, por definición, necesita apuntar a elementos invasores de una manera muy específica pero flexible, y podemos usar este objetivo para fines biotecnológicos, como lo hemos hecho con CRISPR y con enzimas de restricción antes. Cualquierade los nuevos sistemas que encontramos podría ser la próxima herramienta de edición de genes, o tal vez incluso la base de herramientas moleculares aún más emocionantes ", dice Sorek.
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Weizmann . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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