Cuando atacan cuerpos extraños, la milicia molecular que comprende nuestro sistema inmune va a la guerra. En el caos de la batalla, esta caballería debe tener cuidado de no disparar contra sus propios soldados; y los organismos que van desde humanos hasta bacterias han desarrollado mecanismos especialespara evitar este tipo de confusión
Un nuevo estudio de los científicos de Rockefeller describe una estrategia mediante la cual las bacterias discriminan entre sus propias tropas y los invasores maliciosos, como los virus. El estudio, publicado en célula molecular , muestra que la proteína Cas10 generalmente es inofensiva, pero se transforma en un asesino enzimático cuando se enfrenta con material genético extraño.
Una línea de defensa única
Una forma en que las bacterias se protegen a sí mismas es mediante el uso de CRISPR, o repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente espaciadas y proteínas Cas asociadas. Estos sistemas no solo rechazan los patógenos, sino que también los memorizan: cuando una bacteria es atacada, se copia yalmacena una sección del ADN del invasor. Esta secuencia genética, llamada espaciador, ayuda a la bacteria a identificar al invasor la próxima vez que ataca. Una vez que se detecta un intruso, las enzimas Cas disuelven su ADN.
Un campo en crecimiento, la investigación CRISPR es valiosa para comprender cómo las bacterias adquieren inmunidad contra los virus y cómo esta inmunidad afecta la evolución de los microbios. Los científicos han identificado varios tipos de sistemas CRISPR, incluido el Tipo II, que recientemente ha recibido una atención considerable debido asu uso en la tecnología de edición de genes. Sin embargo, el profesor Shixin Liu estaba interesado en un sistema menos estudiado, conocido como Tipo III, que, según él, "es el sistema CRISPR más fascinante que existe".
El entusiasmo de Liu por el Tipo III surgió luego de conversaciones con el profesor Luciano Marraffini, cuyo laboratorio se dedica a comprender los sistemas CRISPR-Cas. En 2017, Marraffini y sus colegas demostraron que los sistemas Tipo III tienen la capacidad única de apuntar no solo a una sola secuencia de invasor, pero variaciones sobre un tema genético. Esto significa que incluso si un virus muta, CRISPR-Cas aún puede identificar y destruir su ADN.
"Para otros sistemas, tiene una única mutación en la secuencia objetivo y la inmunidad generalmente se pierde", dice Liu. "Pero los sistemas tipo III, que usan la enzima Cas10, pueden ser efectivos incluso cuando el objetivo tiene múltiples mutaciones".
En comparación con las enzimas de otros tipos CRISPR, Cas10 dispara a una variedad relativamente amplia de objetivos; sin embargo, se las arregla para evitar dañar el ADN de una bacteria. ¿Cómo, Liu se preguntó, los complejos tipo III discriminan entre uno mismo y el otro?
Evitar fuego amigo
Al trabajar con Marraffini y el compañero posdoctoral Ling Wang, Liu se propuso comprender mejor cómo Cas10 interactúa con diferentes tipos de ARN. Analizaron la dinámica de la enzima utilizando microscopía de fluorescencia de molécula única, una técnica que permite a los investigadores rastrear los cambios moleculares a lo largo del tiempo.
Los investigadores descubrieron que cuando Cas10 se exponía al ARN de un invasor, la estructura de la enzima tomaba nuevas formas. Y, dice Liu, a medida que Cas10 realiza ciclos a través de varias conformaciones, entra de manera intermitente en estados activos, que imbuyen a la enzima con poderes de disolución de ADN.
Por el contrario, cuando Cas10 encontró ARN "propio", la enzima quedó bloqueada en una posición inactiva, lo que prohibió cualquier corte y corte de ADN. Estos resultados, dice Liu, explican cómo los sistemas tipo III evitan el comportamiento autodestructivo.
"No queremos que Cas10 vaya a escindir el ADN al azar. Su actividad tiene que ser regulada", dice. "Y parece que la enzima está operativa solo cuando se desbloquea de su configuración inactiva".
Los investigadores también descubrieron que cuando Cas10 se exponía al ARN enemigo mutado, la enzima podía doblarse en un número limitado de formas activas. Y a medida que disminuía la maleabilidad de Cas10, también disminuía la fuerza de la respuesta inmune de la bacteria
Estos hallazgos sugieren que una respuesta inmune robusta depende de la capacidad de Cas10 para moverse: cuando la enzima puede moverse libremente, pasa más tiempo en un estado activo y, por lo tanto, más tiempo degradando el ADN peligroso. Aún así, Liu señala, incluso cuandola enzima pierde parte de su flexibilidad, no pierde por completo su capacidad de dañar a los invasores.
"Estos resultados muestran que la inmunidad no es algo binario", dice. "Más bien, la fuerza de la inmunidad cambia gradualmente a medida que el ARN extraño muta".
Este estudio ayuda a explicar las estrategias de focalización únicas de los sistemas de tipo III y contribuye a los esfuerzos continuos para comprender cómo la inmunidad CRISPR-Cas afecta la evolución de las bacterias.
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Materiales proporcionado por Universidad Rockefeller . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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