Descubren un nuevo mecanismo bacteriano de defensa frente a virus de ARN

El catedrático de Microbiología del Departamento de Genética y Microbiología de la Universidad de Murcia (UMU) Antonio Sánchez Amat publica, junto a investigadores de la Universidad de Stanford y de Tejas en Austin, un artículo en la revista Science, en el que se describe un nuevo tipo de sistemas CRISPR-Cas, que puede ser utilizado por bacterias para defenderse frente a la infección por virus que poseen ácido ribonucleico (ARN) como material genético.


Las secuencias CRISPR (cuya traducción de sus iniciales al español es: Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas) están generalmente asociadas a genes que codifican proteínas Cas. Los sistemas CRISPR-Cas confieren resistencia a las bacterias frente al ataque por virus. En el trabajo publicado en Science se describe la existencia de un novedoso sistema CRISPR-Cas en la bacteria marina Marinomonas mediterranea, un microorganismo aislado en las aguas costeras de la Región de Murcia y ampliamente caracterizado a nivel molecular por el grupo de Sánchez Amat.

Antonio Sánchez
Antonio Sánchez Amat,
Catedrático de Microbiología de la UMU

La importancia del hallazgo reside en que este sistema es el primero descrito que ofrece un mecanismo de resistencia frente a virus de ARN (único material genético de algunos virus). “El sistema CRISPR-Cas permite capturar pequeños fragmentos de ARN como 'memoria genética' para defenderse frente a la infección de nuevos virus y es además un novedoso mecanismo de transferencia de información genética de ARN a ADN”, declara el profesor de la UMU. Con este trabajo se abre un nuevo campo de estudio sobre los virus de ARN, que son bastante desconocidos.

El primer firmante del artículo es el investigador Sukrit Silas del grupo de investigación de Andrew Z. Fire (Universidad de Stanford), premio Nobel de Fisiología y Medicina en 2006, y se ha contado también con la participación del laboratorio de Alan M. Lambowitz (Universidad de Tejas en Austin).

CRISPR-Cas: Un sistema utilizado por microorganismos para defenderse frente a la infección por virus

Cuando un virus infecta a una célula bacteriana, los sistemas CRISPR-Cas capturan pequeños fragmentos del genoma del virus y los introducen como “espaciadores” en las secuencias CRISPR presentes en su propio genoma. Para hacerlo utiliza una serie de proteínas Cas. “Una vez en el genoma, el fragmento será transcrito a ARN que actuará como guía dirigiendo a otras proteínas Cas con actividad nucleasa a la degradación de otros virus del mismo tipo que puedan infectar a la célula”, describe el investigador.

Según Sánchez Amat, una vez que la bacteria ha tenido una infección vírica y la ha superado, el organismo lo recuerda y responde más rápidamente para defenderse de sucesivos ataques del mismo virus, de forma similar a como actúa el sistema inmune de organismos superiores. Debido a estas características, el sistema CRISPR-Cas es considerado como un tipo de respuesta inmune bacteriana.

Los sistemas CRISPR-Cas descritos con anterioridad actúan frente a virus cuyo material genético es ADN, ya que son fragmentos de ese ADN los incorporados como espaciadores. Sin embargo, hay virus que tienen ARN como material genético. En el sistema CRISPR descrito, cuando un virus ataca a la célula de la bacteria marina estudiada esta adquiere pequeños fragmentos del genoma viral de ARN. “Este proceso, en condiciones naturales, consiste en que cuando el virus infecta a la bacteria, esta mediante proteínas Cas, una de las cuales tiene asociado un dominio retrotranscriptasa (término utilizado para aquellas proteínas capaces de transformar ARN en ADN), es capaz de llevar a cabo la conversión del ARN del virus en ADN que se integra en el genoma de la bacteria”, explica el catedrático de Microbiología.

El trabajo continuado del grupo de investigación de la UMU

Antonio Sánchez Amat es el investigador principal del grupo Biotecnología Microbiana de la UMU. Su investigación está centrada fundamentalmente en bacterias marinas y en las enzimas que sintetizan para adaptarse a su medio ambiente. A lo largo de su trayectoria profesional su grupo ha aislado, clasificado y dado nombre científico a diversas bacterias, entre las que se encuentra M. mediterranea.

Sánchez Amat consiguió la secuenciación del genoma de esta bacteria. “Lo hicimos junto al Departamento de la Energía de EEUU”, aclara. Los miembros del laboratorio de Stanford, detectaron una proteína del sistema CRISPR-Cas fusionada a una proteína retrotrancriptasa en el genoma de M. mediterranea. A partir de ese momento, el grupo de investigación de Stanford contactó con Sanchez Amat y comenzó una colaboración mutua que perdura hasta hoy. “Mantenemos un flujo de información y muestras continuo”, apunta el científico.

El investigador de la UMU y su grupo han puesto a punto todas las técnicas moleculares y de cultivo para M. mediterranea. “Sabemos cómo manipularla y hemos contribuido a estudiar cómo se expresa el sistema CRISPR-Cas en la propia bacteria”, destaca Sánchez Amat, quien señala que, junto con la doctora Patricia Elío de su laboratorio, trabaja actualmente en el aislamiento de virus que infectan a M. mediterranea, para lo que han construido diversos mutantes de dicha bacteria.

Grupo
Grupo de investigación del profesor
Sánchez Amat.

Aunque este trabajo se enmarca dentro de la investigación básica, pues de momento están tratando de comprender el funcionamiento del nuevo sistema CRISPR-Cas en bacterias, los datos obtenidos podrían ser relevantes para el desarrollo de futuras aplicaciones. “La investigación básica de calidad es esencial para entender la gran diversidad de sistemas CRISPR-Cas detectados en bacterias”, defiende el profesor.

La revolución de los sistemas CRISPR

Los sistemas CRISPR han supuesto una auténtica revolución para la biomedicina, hasta tal punto que este sistema ha sido, según el artículo publicado en la revista Science, el avance más importante de 2015.

Con el método CRISPR se puede modificar la información genética de cualquier región del genoma de una célula, incluidas las células humanas. Esta técnica se está utilizando en numerosos campos y podría en el futuro conducir a procesos de terapia génica.

Los sistemas CRISPR fueron observados por primera vez por el alicantino Francis Mojica, profesor de la Universidad de Alicante, quien también propuso que las bacterias utilizan este método para inmunizarse frente a la infección por virus. En este mismo campo, las investigadoras Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier recibían el premio Príncipe de Asturias de las Ciencias 2015 por desarrollar la tecnología CRISPR para la edición genómica de organismos superiores permitiendo reescribir el genoma y corregir genes defectuosos con un nivel de precisión sin precedentes y de forma muy económica.

El impacto científico, social y mediático de los sistemas CRISPR, debido principalmente a que se han convertido en un método aplicable a la modificación genética de organismos superiores, llega hasta tal punto que son muchos los científicos que apuntan a que este hallazgo y sus múltiples aplicaciones podrían obtener el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 2016.

Pero los sistemas CRISPR abren un importante debate ético y legal al que los gobiernos y la ciudadanía deberán dar respuesta. “Podremos manipular genes humanos, eso está claro, pero la duda que se plantea ahora es qué uso debemos hacer de esta tecnología y cuáles son las implicaciones éticas que estos nuevos hallazgos tendrán para nuestras vidas”, reflexiona el coautor de este trabajo.

Más información:

Sukrit Silas, Georg Mohr, David J. Sidote, Laura M. Markham, Antonio Sanchez-Amat, Devaki Bhaya, Alan M. Lambowitz, Andrew Z. Fire (2016). Direct CRISPR spacer acquisition from RNA by a natural reverse transcriptase–Cas1 fusion protein. Science (26 de febrero de 2016) VOL 351 ISSUE 6276. DOI: 10.1126/science.aad4234

E026-07 BIOTECNOLOGÍA MICROBIANA
Foto de portada: Luis Urbina

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