Los investigadores visualizan la actividad de las tijeras genéticas CRISPR
Un nuevo método permite observar con precisión el reconocimiento de genes
Científicos de la Universidad de Leipzig, en colaboración con colegas de la Universidad de Vilnius (Lituania), han desarrollado un nuevo método para medir en milisegundos los giros y torsiones más pequeños de las moléculas. El método permite seguir en tiempo real y con la máxima resolución el reconocimiento génico de los complejos proteínicos CRISPR-Cas, también conocidos como "tijeras genéticas". Con los datos obtenidos se puede caracterizar y modelizar con exactitud el proceso de reconocimiento para mejorar la precisión de las tijeras genéticas. Los resultados obtenidos por el equipo dirigido por el profesor Ralf Seidel y Dominik Kauert, de la Facultad de Física y Ciencias de la Tierra, se han publicado ahora en la revista Nature Structural and Molecular Biology.
Cuando las bacterias son atacadas por un virus, pueden defenderse con un mecanismo que repele el material genético introducido por el intruso. La clave son los complejos proteínicos CRISPR-Cas. Sólo en la última década se ha descubierto y dilucidado su función en la inmunidad adaptativa de los microorganismos. Con la ayuda de un ARN integrado, los complejos CRISPR reconocen una secuencia corta en el ADN del atacante. El mecanismo de reconocimiento de la secuencia por el ARN se ha utilizado desde entonces para desactivar y modificar genes de forma selectiva en cualquier organismo. Este descubrimiento revolucionó la ingeniería genética y ya fue honrado en 2020 con el Premio Nobel de Química concedido a Emmanuelle Charpentier y Jennifer A. Doudna.
Ocasionalmente, sin embargo, los complejos CRISPR también reaccionan a segmentos de genes que difieren ligeramente de la secuencia especificada por el ARN. Esto provoca efectos secundarios indeseables en aplicaciones médicas. "Las causas de este fenómeno aún no se conocen bien, ya que el proceso no se había podido observar directamente hasta ahora", explica Dominik Kauert, que trabajó en el proyecto como estudiante de doctorado.
Seguimiento detallado de procesos a nanoescala
Para comprender mejor el proceso de reconocimiento, el equipo dirigido por el profesor Ralf Seidel y Dominik Kauert aprovechó el hecho de que la doble hélice de ADN de la secuencia diana se desenrolla durante el reconocimiento para permitir el emparejamiento de bases con el ARN. "La cuestión central del proyecto era, por tanto, si era posible seguir en tiempo real el desenrollamiento de un trozo de ADN de sólo 10 nanómetros (nm) de longitud", explica Kauert.
Para observar con detalle el proceso de desenrollado, los científicos tenían que hacerlo visible al microscopio. Para alcanzar este objetivo, el equipo recurrió a los logros de la nanotecnología del ADN, que puede utilizarse para crear cualquier nanoestructura tridimensional de ADN. Utilizando esta técnica denominada origami de ADN, los investigadores construyeron un brazo rotor de ADN de 75 nm de longitud con una nanopartícula de oro unida a su extremo. En el experimento, el desenrollado de la secuencia de ADN de 2 nm de grosor y 10 nm de longitud se transfirió a la rotación de la nanopartícula de oro a lo largo de un círculo de 160 nm de diámetro; este movimiento puede ampliarse y seguirse con un microscopio especial.
Con este nuevo método, los investigadores pudieron observar el reconocimiento de la secuencia por el complejo CRISPR Cascade casi par de bases por par de bases. Sorprendentemente, el emparejamiento de bases con el ARN no es energéticamente ventajoso, lo que significa que el complejo sólo se une de forma inestable durante el reconocimiento de la secuencia. Sólo cuando se reconoce la secuencia completa se produce la unión estable y el ADN se destruye posteriormente. Si se trata de la secuencia "equivocada", el proceso se interrumpe.
Los hallazgos pueden ayudar a seleccionar secuencias de ARN adecuadas
El hecho de que el proceso de reconocimiento produzca a veces resultados incorrectos se debe a su naturaleza estocástica, es decir, a movimientos moleculares aleatorios, como han podido demostrar ahora los investigadores. "El reconocimiento de secuencias está impulsado por fluctuaciones térmicas en el emparejamiento de bases", afirma Kauert. Con los datos obtenidos, fue posible crear un modelo termodinámico de reconocimiento de secuencias que describe el reconocimiento de segmentos de secuencia desviados. En el futuro, esto debería permitir una mejor selección de secuencias de ARN que reconozcan sólo la secuencia diana deseada, optimizando así la precisión de la manipulación genética.
Dado que los nanorotores diseñados son universales por su idoneidad para medir giros y torsiones en moléculas individuales, también pueden utilizarse para otros complejos CRISPR-Cas o biomoléculas.
El trabajo ha sido financiado por el Consejo Europeo de Investigación y la Fundación Alemana de Investigación y se ha llevado a cabo en colaboración con el grupo de investigación del profesor Virginijus Siksnys, de la Universidad de Vilna (Lituania), que aisló y proporcionó los complejos CRISPR utilizados.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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