Un emocionante avance en el campo de la ingeniería genética ha sido anunciado esta semana por un equipo de investigadores de EE. UU. y Japón. Han descubierto un nuevo método de edición genética que es más preciso y potente que los previos, permitiendo la recombinación y reorganización del ADN de forma programable. Estos resultados fueron publicados en dos estudios en la prestigiosa revista Nature.
El primer estudio revela una nueva clase de sistemas biológicos programables, el ARN puente. Este es el primer ejemplo de una guía de ARN específica, capaz de reconocer y unirse simultáneamente a secuencias de ADN objetivo y donante. Según el autor principal del trabajo, Patrick Hsu, del Instituto Arc en Palo Alto, EE. UU., «esta propiedad única nos permite no solo insertar, sino también eliminar e invertir de forma programable dos fragmentos cualesquiera de ADN utilizando un único mecanismo unificado».
El ARN puente representa un avance significativo en las capacidades de corte del ADN y del ARN, llevando estas habilidades mucho más allá de lo que las tecnologías anteriores permitían. Aunque los sistemas CRISPR han sido altamente optimizados, los resultados iniciales del ARN puente en células bacterianas son prometedores. Los investigadores demostraron una eficacia de inserción de un gen deseado en células bacterianas de entre el 60% y el 90%, dependiendo del ARN puente utilizado. También lograron una especificidad de inserción superior al 94% en el genoma de E. coli.
Los sistemas de ARN puente se encuentran en bacterias y arqueas. Los investigadores han demostrado una versión de este sistema in vitro y en células bacterianas. La posible aplicación de este sistema en células y genomas de mamíferos podría beneficiar a una amplia gama de organismos utilizados en investigación y biotecnología.
El ARN puente tiene varias propiedades únicas que lo hacen particularmente prometedor. Puede realizar la recombinación sin necesidad de los mecanismos de reparación del ADN del huésped, lo que podría resultar en una edición más precisa. También tiene la capacidad de reconocer y manipular dos secuencias de ADN simultáneamente, lo que abre nuevas posibilidades que no son fáciles de lograr con los sistemas CRISPR actuales.
«Estamos entusiasmados con las muchas aplicaciones posibles que tenemos por delante», señala Hsu. «Por ejemplo, algún día podríamos modificar simultáneamente conjuntos enteros de variantes genéticas, lo que nos permitiría investigar factores de riesgo poligénicos en lugar de cambiar variantes individuales una por una».
El ARN puente también podría acelerar la ingeniería metabólica en la biología procariota insertando vías enzimáticas completas para producir compuestos valiosos. En terapia génica y celular, este mecanismo facilitaría la inserción de grandes construcciones genéticas, como los receptores quiméricos de antígenos para la inmunoterapia del cáncer o los genes ausentes para la terapia génica en regiones genómicas específicas, mejorando la eficacia y seguridad de dichos tratamientos.
Este sistema de recombinación del ARN puente procede de los elementos de la secuencia de inserción 110 (IS110), uno de los innumerables tipos de elementos transponibles -o ‘genes saltarines’- que se cortan y pegan a sí mismos para moverse dentro de los genomas microbianos y entre ellos. Los elementos transponibles se encuentran en todas las formas de vida y han evolucionado hasta convertirse en máquinas profesionales de manipulación del ADN para sobrevivir.
El descubrimiento del laboratorio de Hsu se complementa con su colaboración con el grupo de Hiroshi Nishimasu, de la Universidad de Tokio. Juntos, utilizaron la criomicroscopía electrónica para determinar las estructuras moleculares del complejo ARN puente de la recombinasa unido al ADN objetivo y al donante, avanzando secuencialmente por los pasos clave del proceso de recombinación.
Esta nueva tecnología de recombinación podría marcar el comienzo de una tercera generación de sistemas guiados por ARN, yendo más allá de los mecanismos de corte de ADN y ARN de CRISPR y ARN de interferencia (ARNi) para ofrecer un mecanismo unificado de reorganización programable del ADN.
A pesar de la gran promesa de este nuevo descubrimiento, es importante señalar que todavía hay limitaciones. CRISPR ha sido optimizado durante más de una década por miles de laboratorios y empresas que han invertido miles de millones de dólares para permitir aplicaciones terapéuticas. «Este primer conjunto de artículos presenta un tipo de ARN guía mecánicamente novedoso y la primera recombinasa de ADN guiada por ARN», indica Hsu. «Para optimizar la edición de puentes y convertirla en una herramienta útil, tendremos que realizar estudios exhaustivos sobre su alcance, eficacia y posibles efectos no deseados en diferentes tipos de células y métodos de administración».
Además, en estos trabajos no se ha demostrado que el sistema IS110 funcione en células humanas. «Será importante investigar si puede utilizarse para aplicaciones de ingeniería genómica en ellas. Además, encontramos enzimas de la familia IS110 con secuencias diversas en otras bacterias, lo que hace interesante analizar sus funciones y mecanismos», concluye Nishimasu.
Referencias:
Matthew G. Durrant et al. Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA. Nature (2024)
Masahiro Hiraizumi et al. Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination. Nature (2024)
