Los científicos han estudiado en detalle la estructura tridimensional de uno de los sistemas CRISPR-Cas13 más pequeños conocidos, CRISPR-Cas13bt3, que se utiliza para la modificación del ARN y funciona de manera diferente a otras proteínas de la misma familia. Este descubrimiento les permite mejorar la precisión de la herramienta, lo que permite un mejor acceso y entrega al sitio de edición de destino, lo que potencialmente les permite combatir los virus de manera más efectiva al atacar el ARN.
Los científicos de la Universidad Rice han detallado la estructura tridimensional de uno de los sistemas CRISPR-Cas13 más pequeños conocidos para cortar o modificar ARN, y utilizaron sus hallazgos para modificar aún más la herramienta y mejorar su precisión. Según un estudio publicado en Nature Communications, la molécula funciona de manera diferente a otras proteínas de la misma familia.
"Existen diferentes tipos de sistemas CRISPR, y el enfoque de nuestro estudio esta vez es uno llamado CRISPR-Cas13bt3", dijo Yang Gao, profesor asistente de ciencias biológicas y académico del Instituto de Investigación y Prevención del Cáncer de Texas, quien ayudó a dirigir el estudio. "Lo que es único es que es muy pequeño. Normalmente, moléculas como ésta contienen alrededor de 1.200 aminoácidos, y ésta sólo tiene alrededor de 700, por lo que eso ya es una ventaja".
El tamaño pequeño es una ventaja ya que permite un mejor acceso y entrega al sitio de edición de destino. A diferencia de los sistemas CRISPR asociados con la proteína Cas9, que normalmente se dirige al ADN, los sistemas relacionados con Cas13 se dirigen al ARN, que son las "instrucciones" intermedias para convertir la información genética codificada en el ADN en un modelo para ensamblar una proteína.
Los investigadores esperan que estos sistemas dirigidos a ARN puedan usarse para combatir virus, que normalmente usan ARN en lugar de ADN para codificar su información genética.
"Mi laboratorio es un laboratorio de biología estructural", dijo Gao Yang. "Estamos tratando de entender cómo funciona este sistema. Así que parte de nuestro objetivo es poder verlo en tres dimensiones y crear un modelo que nos ayude a explicar sus mecanismos".
Los investigadores utilizaron microscopía crioelectrónica para mapear la estructura del sistema CRISPR, colocaron la molécula sobre una fina capa de hielo y dispararon un haz de electrones a través de ella, generando datos que luego se procesaron en un modelo tridimensional detallado. Los resultados los sorprendieron.
"Descubrimos que este sistema despliega un mecanismo diferente al de otras proteínas de la familia Cas13, que tienen dos dominios que inicialmente se separan, y después de que el sistema se activa, se unen - un poco como los dos brazos de tijeras - y hacen el corte. Este sistema es completamente diferente: las tijeras ya existen, pero necesitan enganchar la cadena de ARN en el sitio objetivo correcto. Para hacer esto, utiliza un elemento de unión en estos dos bucles únicos para conectar diferentes partes de la proteína".
Xiangyu Deng, asociado postdoctoral en el laboratorio de Gao Yang, dijo: "Determinar la estructura del complejo de proteína y ARN es realmente un desafío, y tenemos que solucionar muchos problemas para hacer que el complejo de proteína y ARN sea más estable para que podamos mapear su estructura".
Una vez que el equipo descubrió cómo funcionaba el sistema, los investigadores del laboratorio de la ingeniera química y biomolecular Shirley Gao comenzaron a modificar el sistema para mejorar su precisión probando su actividad y especificidad en células vivas.
"Descubrimos que estos sistemas podían apuntar más fácilmente durante el cultivo celular", dijo Sherry Gao, profesora asistente de ingeniería química y biomolecular Ted N. Law. "Lo realmente valioso de este trabajo es que los conocimientos detallados de biología estructural nos permitieron identificar racionalmente los esfuerzos de ingeniería necesarios para mejorar la especificidad de la herramienta y al mismo tiempo mantener una alta actividad de edición de ARN objetivo".
Emmanuel Osikpa, asistente de investigación en el laboratorio de Xue Gao, realizó experimentos celulares y confirmó que Cas13bt3 diseñado puede apuntar a grupos de ARN específicos con alta fidelidad.
"Pude demostrar que este Cas13bt3 diseñado funcionó mejor que el sistema original", dijo Osikpa. "El estudio exhaustivo de la estructura destacó las ventajas de un enfoque dirigido y basado en la estructura frente a las costosas y costosas pruebas de mutagénesis aleatorias a gran escala".