Esaminare costi e benefici dei sistemi CRISPR-Cas
I sistemi CRISPR-Cas sono una difesa naturale per i procarioti (batteri e archeobatteri). Quando un elemento genetico estraneo, come un virus, entra in uno di questi microrganismi, la cellula preleva un frammento del DNA dell’invasore e lo conserva all’interno del proprio genoma. Se un invasore simile tenta di nuovo di entrare, scatta l’allarme e il procariote taglia il suo DNA, bloccandolo sul nascere. Questi sistemi sono ben noti e sono stati cooptati per la tecnologia di editing genetico (e studiati per il loro potenziale per curare le infezioni batteriche). I costi e i benefici per gli organismi ospiti sono sconosciuti. «Sappiamo che in alcuni microrganismi i sistemi CRISPR-Cas rappresentano una difesa antivirale molto potente, ma in altri sono completamente inutili contro i virus», afferma Uri Gophna(si apre in una nuova finestra), professore presso la Facoltà di Biologia Cellulare Molecolare e Biotecnologia dell’Università di Tel Aviv. «Eppure vengono mantenuti nell’evoluzione, quindi è chiaro che devono esserci ulteriori benefici nel loro possesso», aggiunge. Nel progetto CRISPR-EVOL(si apre in una nuova finestra), finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), l’autore e il suo team hanno utilizzato tecniche di genomica su larga scala ed evoluzione sperimentale per individuare alcuni dei costi e dei benefici di questi sistemi. «Uno di questi vantaggi è un recupero più rapido dai danni al DNA, come abbiamo dimostrato», afferma. «Il fatto che i sistemi CRISPR-Cas offrano un vantaggio nella riparazione del DNA aiuta a spiegare perché vengono mantenuti in condizioni di bassa pressione virale, nonostante abbiano alcuni “costi di manutenzione”, dovuti, ad esempio, all’autoimmunità.»
Misurazione di nuovi modelli di ricombinazione del DNA
Il progetto ha esplorato il modo in cui i sistemi CRISPR-Cas alterano i modelli di ricombinazione, il processo di creazione di nuove combinazioni di materiale genetico, e ha studiato il modo in cui le proteine associate alle CRISPR aiutano la riparazione del DNA cellulare. La ricerca ha comportato la creazione di «test di accoppiamento» in cui due ceppi genitori vengono mescolati su filtri e successivamente trasferiti in un terreno in cui possono crescere solo se si è verificato un evento di accoppiamento riuscito (che ha portato allo scambio di DNA). «Ciò consente di quantificare l’efficienza di accoppiamento in presenza o assenza del targeting CRISPR-Cas», spiega il ricercatore.
Aprire gli archeobatteri alla biotecnologia verde
I sistemi CRISPR-Cas possono interrompere il trasferimento genico laterale (condivisione genetica tra organismi che coesistono in un ambiente), che si pensava riducesse la diversità genetica. Ma CRISPR-EVOL ha rivelato che non è così. «Dimostriamo che mentre il targeting tramite CRISPR-Cas(si apre in una nuova finestra) limita lo scambio di DNA tra specie remote, in realtà aumenta la ricombinazione all’interno della specie tra diversi ceppi della stessa specie», spiega. «Abbiamo anche dimostrato che alcuni virus cronici possono sopprimere completamente CRISPR-Cas e quindi persistere nell’ospite indefinitamente perché non viene generata alcuna memoria immunitaria CRISPR contro di essi», osserva l’esperto. Grazie alla cura di un archeobatterio alofilo(si apre in una nuova finestra) dal suo virus cronicamente infettante, si è ottenuto un ceppo con un tasso di crescita e una resa notevolmente migliorati. «Questo approccio è stato brevettato e speriamo che apra nuovi mercati per gli alo-archeobatteri nella biotecnologia verde», afferma.
Esplorare gli altri sistemi di difesa della natura
I ricercatori continueranno a studiare gli aspetti evolutivi dei sistemi CRISPR-Cas, in particolare alcuni esempi affascinanti in cui due sistemi codificati da due elementi genetici distinti risiedono nella stessa cellula. Si sono inoltre estesi anche ad altri sistemi di difesa. «Non studiamo solo gli effetti sullo scambio genico tra ceppi, ma anche l’evoluzione della complessità, ovvero come i diversi componenti iniziano a lavorare insieme e diventano un sistema», aggiunge l’autore. «Abbiamo già dimostrato che i singoli componenti possono apportare benefici all’ospite sia nei sistemi CRISPR-Cas che nei sistemi CBASS(si apre in una nuova finestra), ma questa è solo la punta dell’iceberg.»
