El potencial antimicrobiano de los sistemas CRISPR-Cas es prometedor, pero aún no se comprende bien cómo diseñar o implementar mejor las nucleasas CRISPR. Un equipo internacional dirigido por el Instituto Helmholtz para la Investigación de Infecciones basadas en ARN (HIRI) en Würzburg ha abordado esta brecha de conocimiento.
Los investigadores han realizado el primer interrogatorio sistemático de los antimicrobianos CRISPR utilizando bacterias hipervirulentas y resistentes a múltiples fármacos como estudios de caso, revelando amplias variaciones en la eficacia que podrían predecirse mediante detección de alto rendimiento y aprendizaje automático. Sus hallazgos se publican en la revista Nucleic Acids Research. .
El descubrimiento de compuestos antimicrobianos, como los antibióticos convencionales, ha transformado la medicina, permitiendo el tratamiento de infecciones que antes se consideraban intratables. Sin embargo, el proceso de desarrollo de nuevos agentes se ha ralentizado, mientras que el uso inadecuado de los antibióticos existentes ha impulsado la aparición de resistencia a los antibióticos. En consecuencia, existe una necesidad creciente de nuevos medios para erradicar los patógenos.
Los sistemas CRISPR-Cas, mecanismos inmunes adaptativos que las bacterias emplean para defenderse contra la invasión viral, ofrecen una solución distinta a través de su capacidad para eliminar microbios selectivamente basándose únicamente en secuencias genéticas. Sin embargo, hasta la fecha, faltan estudios sistemáticos para evaluar la eficacia de estos antimicrobianos CRISPR, especialmente entre diferentes nucleasas, sitios objetivo y cepas bacterianas.
Para abordar esta brecha, un equipo internacional dirigido por el Instituto Helmholtz para la Investigación de Infecciones basadas en ARN (HIRI), un sitio del Centro Helmholtz para la Investigación de Infecciones (HZI) de Braunschweig en cooperación con la Universidad Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), ha Ahora se ha emprendido el primer interrogatorio exhaustivo de estos nuevos agentes. Su investigación se centra en Klebsiella pneumoniae, una bacteria conocida por su asociación con la resistencia a los antibióticos.
"Klebsiella pneumoniae ofrece un estudio de caso particularmente convincente dado que comprende numerosas cepas con diferentes características de virulencia y resistencia", dice Chase Beisel, jefe del departamento de Biología Sintética de ARN del HIRI y profesor de la Facultad de Medicina de la JMU. Encabezó el estudio internacional en colaboración con investigadores del Instituto Pasteur de París, Francia, la Universidad de Tel Aviv en Israel, HZI y la Universidad de Toronto en Canadá.
El equipo combinó experiencia en tecnologías CRISPR, bacterias Klebsiella, administración de bacteriófagos, pantallas de alto rendimiento y aprendizaje automático necesarios para realizar un estudio de esta escala.
Los sistemas CRISPR-Cas utilizan un sofisticado mecanismo de defensa:un ácido ribonucleico (ARN) CRISPR ayuda a detectar regiones de un genoma extraño, como ADN o ARN, para una escisión dirigida. Posteriormente, la nucleasa asociada a CRISPR (Cas) corta su objetivo de forma similar a unas tijeras moleculares.
Los científicos descubrieron que las diferentes nucleasas CRISPR exhiben eficacias muy variables. En sus experimentos, las nucleasas dirigidas al ADN mostraron un rendimiento superior en comparación con las que se centran en el ARN.
Además, diferentes tipos de K. pneumoniae mostraron variaciones en su sensibilidad a un antimicrobiano CRISPR, a pesar de emplear nucleasas idénticas para atacar sitios idénticos. Elena Vialetto, primera autora del estudio y ex Ph.D. Un estudiante del laboratorio de Beisel afirma:"La variable actividad antimicrobiana entre bacterias relacionadas fue sorprendente dado el uso de las mismas construcciones CRISPR. Atribuimos esta diferencia al plegamiento de los ARN CRISPR que guían la orientación del ADN".
Beisel añade:"Este estudio es el primero en demostrar que la eficacia antibacteriana puede variar incluso entre cepas relacionadas".
Para explorar características que podrían mejorar la selección de objetivos en varias cepas, los investigadores realizaron un análisis de todo el genoma en diferentes tipos de K. pneumoniae. Este esfuerzo arrojó principios y parámetros de diseño para posibles antimicrobianos CRISPR y facilitó la capacitación de un algoritmo para pronosticar su eficiencia.
El equipo también se aventuró en la siguiente etapa del desarrollo de agentes activos:la entrega. Los investigadores utilizaron bacteriófagos como vehículos para los antimicrobianos CRISPR, a los que equiparon con fibras de cola modificadas para aumentar el alcance de la carga CRISPR.
Este estudio sienta las bases para un mayor desarrollo de CRISPR como medio para prevenir o tratar infecciones resistentes a los antibióticos.
"Esperamos que este trabajo aporte mayor visibilidad al uso de CRISPR como antimicrobiano de espectro personalizado en la lucha actual contra la resistencia a los antibióticos", concluye Beisel.
Más información: Elena Vialetto et al, El interrogatorio sistemático de los antimicrobianos CRISPR en Klebsiella pneumoniae revela características dependientes de nucleasa, guía y cepa que influyen en la actividad antimicrobiana, Investigación sobre ácidos nucleicos (2024). DOI:10.1093/nar/gkae281
Información de la revista: Investigación sobre ácidos nucleicos
Proporcionado por el Centro Helmholtz para la Investigación de Infecciones
