La identificación del sistema CRISPR como mecanismo de defensa de bacterias frente a virus y su adaptación como herramienta para editar el ADN (y posteriormente ARN) es un ejemplo del potencial que contienen las bases de datos de genomas microbianos.
Estas bases de datos contienen información sobre proteínas, enzimas y sistemas que pueden tener utilidad a nivel biotecnológico. Además, las posibilidades de encontrar elementos de interés aumentan con la amplia diversidad que existe en el mundo microbiano.
El principal reto para detectar elementos de utilidad biotecnológica o médica es desarrollar herramientas que analicen de forma sistemática los genomas y secuencias disponibles cuyo número ha crecido exponencialmente los últimos años. Con este objetivo, investigadores del Instituto Broad del Instituto Tecnológico de Massachusetts y otras instituciones han desarrollado un algoritmo dirigido a rastrear sistemas CRISPR.
Tras analizar millones de genomas, el equipo ha detectado 188 nuevos sistemas CRISPR que ofrecen nuevas posibilidades para modificación del genoma y otras aplicaciones en biotecnología y medicina. Los resultados se han publicado en la revista Science.
Detectando nuevos sistemas CRISPR
El sistema CRISPR es, en esencia, un mecanismo de defensa bacteriano que almacena información de los virus a los que ha sido expuesto una población bacteriana y permite reconocerlos y actuar frente a ellos en caso de nueva exposición. Este registro, se realiza en el propio ADN de las bacterias. De hecho CRISPR es un acrónimo de Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Espaciadas. Por lo tanto, sigue un patrón más o menos específico en el ADN. Un patrón frente al que puede entrenarse un algoritmo para que lo detecte.
Para identificar nuevos sistemas CRISPR, el equipo de Feng Zhang del Instituto Broad del Instituto Tecnológico de Massachusetts, conocido por la adaptación del sistema CRISPR a la edición del genoma en eucariotas, desarrolló el algoritmo FLSHclust (Fast Locality-Sensitive Hashing-based clustering). Este algoritmo descompone los datos genómicos originales y los transforma en valores que pueden ser interpretados de formá más rápida. En el caso particular de los genes de los sistemas CRISPR, el algoritmo busca similitudes entre secuencias y las agrupa en clústeres.
Tras analizar la información disponible en las tres principales bases de datos públicas de genomas de bacterias de ámbitos tan diversos como la saliva de los perros o lagos de la Antártida, los investigadores detectaron 188 genes asociados a CRISPR no reportados previamente.
“Este nuevo algoritmo nos permite analizar los datos en un periodo de tiempo lo suficientemente corto como para poder recuperar los resultados y formular hipótesis biológicas”, ha señalado Soumya Kannan, coautora del estudio, actualmente investigadora en la Universidad de Harvard.
Además, el equipo caracterizó algunos de los nuevos sistemas. Entre ellos destacan dos que mostraron alta especificidad para modificar el genoma en células humanas y un nuevo sistema que mostró capacidad para detectar ARN. También detectaron nuevas estrategias de los sistemas CRISPR para detectar y degradar el ADN de los patógenos bacterianos.
Una fuente para el descubrimiento biotecnológico
Los resultados del trabajo muestran a FLSHclust, como una herramienta bioinformática de interés para el análisis rápido de millones de secuencias. “Este algoritmo de búsqueda podría ser utilizado por cualquiera que quiera trabajar con estas grandes bases de datos para estudiar cómo evolucionan las proteínas o descubrir nuevos genes”, afirma Altae-Tran.
También muestran la diversidad de sistemas CRISPR que existen. Y, sobre todo, ofrecen una fuente de herramientas CRISPR con potencial para el desarrollo o perfeccionamiento de aplicaciones biotecnológicas y médicas.
Recientemente, ha sido aprobada la primera terapia CRISPR de edición del genoma para una enfermedad genética. Disponer de nuevos sistemas CRISPR con capacidades variadas puede contribuir a mejorar las estrategias para editar el genoma con fines médicos o desarrollar métodos diagnósticos más eficientes.
De momento, deberán realizarse más estudios para caracterizar en detalle los sistemas CRISPR identificados y estimar en qué aplicaciones o desarrollos podrían ser utilizados.
Amparo Tolosa, Genotipia
Imagen: Las bases de datos de genomas microbianos contienen información con gran potencial para el desarrollo de aplicaciones en biotecnología y biomedicina. Imagen: Science Photo Library, vía Canva.
Artículo científico: Altae-Tran H, et al. Uncovering the functional diversity of rare CRISPR-Cas systems with deep terascale clustering. Science. 2023 Nov 24;382(6673):eadi1910. doi: 10.1126/science.adi1910.
Fuentes: Search algorithm reveals nearly 200 new kinds of CRISPR systems. https://www.broadinstitute.org/news/search-algorithm-reveals-nearly-200-new-kinds-crispr-systems
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