Cómo las bacterias almacenan información para matar virus (pero no a sí mismas)

En los últimos años, la tecnología CRISPR ha sido noticia para ayudar a tratar a pacientes con afecciones tan diversas como la ceguera y la enfermedad de células falciformes. Sin embargo, mucho antes de que los humanos usaran la tecnología CRISPR para combatir los trastornos genéticos, las bacterias usaban la tecnología CRISPR como sistema inmunitario para combatir los virus.

En las bacterias, la tecnología CRISPR (repeticiones simétricas cortas, regularmente espaciadas) funciona robando pequeños fragmentos de ADN de los virus infectados y almacenando esos fragmentos en los genes de las bacterias. Estas piezas de ADN, llamadas espaciadores, se transcriben para formar pequeñas etiquetas, que se adhieren a las proteínas que flotan hasta que encuentras una pieza de ADN coincidente. Cuando encuentran una coincidencia, la identifican como un virus y la cortan.

Ahora, un artículo publicado en biología actual Investigadores del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Pensilvania muestran que el riesgo autoinmune juega un papel clave en la forma en que CRISPR almacena información viral, dirigiendo la cantidad de espaciadores que las bacterias retienen en sus genes y cuánto duran esos espaciadores.

Idealmente, los espaciadores solo deberían coincidir con el ADN del virus, pero existe una pequeña posibilidad estadística de que el espaciador coincida con otra pieza de ADN en la misma bacteria. Esto puede conducir a la muerte por la respuesta autoinmune.

dice Vijay Balasubramanian, investigador principal de la investigación y profesor de física Cathy y Mark Lasry en la Facultad de Artes y Ciencias.

Equilibrar este riesgo podría poner a la bacteria en una especie de vínculo evolutivo. Tener más espaciadores significa que pueden almacenar más información y protegerse de más tipos de virus, pero también aumenta la posibilidad de que uno de los espaciadores coincida con el ADN de las bacterias y desencadene una respuesta autoinmune.

Balasubramanian, junto con los coautores Hanrong Chen del Instituto de Genómica de Singapur y Andreas Mayer del University College London, se dieron cuenta de que las bacterias podrían superar esto al tener espaciadores más largos. Al igual que una contraseña más larga puede ser más difícil de descifrar, es menos probable que una ruptura más larga coincida con el ADN de la bacteria. Esto significa que las bacterias con descansos más largos podrán tener más descansos en general sin el riesgo de desencadenar una respuesta autoinmune.

Con esta idea en la mano, los investigadores construyeron un modelo matemático para calcular la relación entre la longitud del espaciador y el número total de espaciadores que las bacterias deberían poder almacenar sin correr el riesgo de una respuesta autoinmune.

Una vez que modelaron las matemáticas, verificaron si su predicción era correcta en bacterias reales al observar el ADN CRISPR de miles de especies y comparar la longitud del espaciador con la cantidad de espaciadores almacenados.

Los investigadores encontraron una relación constante y estrecha entre la longitud del espaciador y el número de espaciadores.

«La sorpresa para mí fue que combina tan bien desde el primer momento», dice Balasubramanian. «Este es un marco teórico muy simple. Existe el riesgo de autoinmunidad, pero es bueno tener más memoria inmune y hay que equilibrar estas dos consideraciones. Es muy, muy raro que algo tan simple coincida con los datos».

Balasubramanian dice que el éxito del modelo muestra que este marco de compensaciones matemáticas simples puede aplicarse a sistemas más complejos, como el sistema inmunológico de los vertebrados, incluidos los humanos.

«Una vez que haces ese tipo de pensamiento estadístico, puedes progresar mucho», dice. «Así que tal vez podamos volver a la inmunidad de los vertebrados y usar las mismas técnicas».

Este estudio también se encuentra entre los primeros en describir la importancia de una respuesta autoinmune a las bacterias. Balsubramanian y sus colaboradores esperan que los estudios futuros de CRISPR tengan en cuenta los riesgos de la autoinmunidad.

En cuanto al trabajo futuro de su grupo, su objetivo es explorar cómo la tecnología CRISPR almacena información en respuesta a la evolución de los virus. Y aunque el modelo estadístico de genes bacterianos en evolución puede parecer fuera de la vida cotidiana, Balasubramanian dice que este trabajo sienta las bases para una comprensión más amplia de la inmunidad, de manera que puede permitir una visión más profunda de virus como la influenza estacional o el nuevo virus del SARS. . -2 variables.

«Todas estas son piezas de un rompecabezas más grande», dice Balasubramanian.