En un estudio publicado en Advanced Science , investigadores de la Universidad de Hiroshima y el Instituto Nacional Japonés de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada demuestran cómo los sistemas de ensamblaje modular impulsados ​​por aprendizaje automático pueden mejorar la edición de genes.

"La edición del genoma es una herramienta prometedora para el tratamiento de trastornos genéticos en varios campos diferentes", afirmó Shota Katayama, profesor asociado del Centro de Innovación en Edición del Genoma de la Universidad de Hiroshima. "Al mejorar la eficiencia de las tecnologías de edición de genes, podemos lograr una mayor precisión en las modificaciones de la información genética en las células vivas."

Junto con CRISPR/Cas9 y TALEN, la nucleasa con dedos de zinc es una herramienta importante en el campo de la edición del genoma. Diseñadas para romper ciertos enlaces dentro de la cadena de polinucleótidos de una molécula de ADN, estas proteínas quiméricas están formadas por dos dominios fusionados:dominios de unión al ADN y dominios de escisión del ADN. El dominio de unión a la proteína con dedos de zinc (ZF) reconoce la secuencia de ADN objetivo dentro del genoma completo, mientras que el dominio de escisión implica una enzima especial de corte de ADN llamada endonucleasas ND1.

Las ZFN presentan algunas ventajas sobre CRISPR/Cas9 y TALEN:en primer lugar, a diferencia de CRISPR-Cas9, las patentes de las ZFN ya han expirado, lo que excluye altas regalías de patentes para aplicaciones industriales. En segundo lugar, las ZFN son más pequeñas, lo que permite empaquetar fácilmente el ADN que codifica ZFN en un vector viral con espacio de carga limitado para aplicaciones clínicas e in vivo.

Para cortar el ADN, se deben unir dos ZFN. Por lo tanto, deben diseñarse en pares para que sean funcionales en cualquier sitio nuevo. Sin embargo, construir ZFN funcionales y mejorar la eficiencia de la edición del genoma ha resultado un desafío.

"Hemos logrado grandes avances en los métodos para derivar conjuntos de dedos de zinc para nuevos objetivos genómicos, pero todavía hay espacio para mejorar nuestros enfoques de diseño y selección", afirmó Katayama.

Se pueden utilizar métodos basados ​​en selección para construir proteínas ZF ensambladas, pero estos métodos requieren mucha mano de obra y mucho tiempo. Un enfoque alternativo para construir proteínas ZF ensambladas es el ensamblaje de módulos ZF utilizando técnicas estándar de biología molecular. Este método proporciona a los investigadores un método mucho más sencillo para construir proteínas ZF ensambladas.

Sin embargo, las ZFN ensambladas modularmente tienen una pequeña cantidad de pares ZFN funcionales con una tasa de falla del 94 % para los pares ZFN probados.

En su estudio, los investigadores de la Universidad de Hiroshima y el Instituto Nacional Japonés de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada se propusieron crear una nucleasa con dedos de zinc más eficiente y fácil de construir para la edición de genes utilizando recursos disponibles públicamente en un sistema de ensamblaje modular.

Una consideración importante en el diseño de ZFN es la cantidad de dedos de zinc que se requieren para una escisión eficiente y específica. El equipo planteó la hipótesis de que el ensamblaje modular de los módulos ZF sería útil para construir ZFN con cinco o seis dedos.

En su publicación, el equipo de investigación presentó un método para aumentar la eficiencia de la construcción de ZFN funcionales y mejorar su eficiencia de edición del genoma utilizando tres herramientas de modelado de biomoléculas:AlphaFold, Coot y Rosetta.

De los 10 ZFN probados, los investigadores obtuvieron dos pares funcionales. Además, la ingeniería de ZFN utilizando AlphaFold, Coot y Rosetta aumentó la eficiencia de la edición del genoma en un 5 %, lo que demuestra la eficacia de la ingeniería de ZFN basada en modelos estructurales.