Diseñan una herramienta para 'programar' el ADN

En un salto adelante para la ingeniería genética, un equipo de investigadores del Arc Institute (Estados Unidos) ha descubierto el mecanismo puente recombinasa, una herramienta precisa y poderosa para recombinar y reorganizar el ADN de forma programable.

El estudio, publicado en 'Nature' por investigadores de la Universidad de Berkeley (Estados Unidos) informa sobre el descubrimiento de la primera ADN recombinasa que utiliza un ARN no codificante para la selección de secuencia específica de moléculas de ADN objetivo y donante. Este puente de ARN es programable, lo que permite al usuario especificar cualquier secuencia objetivo genómica deseada y cualquier molécula de ADN donante que se insertará.

"El sistema puente de ARN es un mecanismo fundamentalmente nuevo para la programación biológica", informa Hsu, autor principal del estudio e investigador principal del Arc Institute y profesor asistente de bioingeniería de UC Berkeley (Estados Unidos). "La recombinación de puentes puede modificar universalmente el material genético mediante inserción, escisión, inversión y más de secuencias específicas, permitiendo un procesador de textos para el genoma vivo más allá de CRISPR".

El científico principal de Arc, Matthew Durrant, y el estudiante graduado en bioingeniería de UC Berkeley, Nick Perry, fueron los autores principales del descubrimiento. La investigación se desarrolló en colaboración con los laboratorios de Silvana Konermann, investigadora principal del Arc Institute y profesora asistente de bioquímica de la Universidad de Stanford (Estados Unidos), y Hiroshi Nishimasu, profesor de biología estructural de la Universidad de Tokio (Japón).

Los elementos transponibles se encuentran en todas las formas de vida

El sistema de recombinación puente proviene de elementos de la secuencia de inserción 110 (IS110), uno de los innumerables tipos de elementos transponibles que se cortan y pegan para moverse dentro y entre genomas microbianos. Los elementos transponibles se encuentran en todas las formas de vida y han evolucionado hasta convertirse en máquinas profesionales de manipulación de ADN para sobrevivir. Los elementos IS110 son mínimos y consisten únicamente en un gen que codifica la enzima recombinasa, además de segmentos de ADN flanqueantes que, hasta ahora, siguen siendo un misterio.

El laboratorio de Hsu descubrió que cuando IS110 se escinde de un genoma, los extremos del ADN no codificante se unen para producir una molécula de ARN (el puente de ARN) que se pliega en dos bucles. Un bucle se une al propio elemento IS110, mientras que el otro bucle se une al ADN objetivo donde se insertará el elemento. El ARN puente es el primer ejemplo de una molécula guía biespecífica, que especifica la secuencia del ADN objetivo y del donante mediante interacciones de emparejamiento de bases.

Cada bucle del ARN puente es programable de forma independiente, lo que permite a los investigadores mezclar y combinar cualquier secuencia de ADN de interés con el objetivo y el donante. Esto significa que el sistema puede ir mucho más allá de su función natural de insertar el elemento IS110, permitiendo en cambio la inserción de cualquier carga genética deseable, como una copia funcional de un gen defectuoso que causa una enfermedad, en cualquier ubicación genómica. En este trabajo, el equipo demostró más del 60% de eficiencia de inserción de un gen deseado en E. coli con más del 94% de especificidad para la ubicación genómica correcta.

"Estos ARN puente programables distinguen a IS110 de otras recombinasas conocidas, que carecen de un componente de ARN y no pueden programarse", señala el estudiante graduado Nick Perry. "Es como si el puente RNA fuera un adaptador de corriente universal que hace que el IS110 sea compatible con cualquier toma de corriente".

El descubrimiento del laboratorio Hsu se complementa con su colaboración con el laboratorio del doctor Hiroshi Nishimasu de la Universidad de Tokio, también publicada en 'Nature' . El laboratorio de Nishimasu utilizó microscopía crioelectrónica para determinar las estructuras moleculares del complejo de ARN del puente de recombinasa unido al ADN objetivo y al donante, avanzando secuencialmente a través de los pasos clave del proceso de recombinación.

Con una mayor exploración y desarrollo, el mecanismo puente promete marcar el comienzo de una tercera generación de sistemas guiados por ARN, expandiéndose más allá de los mecanismos de corte de ADN y ARN de CRISPR y la interferencia de ARN (ARNi) para ofrecer un mecanismo unificado para reordenamientos programables del ADN. Fundamental para el desarrollo posterior del sistema de recombinación puente para el diseño del genoma de los mamíferos, la recombinasa puente une ambas cadenas de ADN sin liberar fragmentos de ADN cortados, evitando una limitación clave de las tecnologías de edición del genoma de última generación.

"El mecanismo de recombinación puente resuelve algunos de los desafíos más fundamentales que enfrentan otros métodos de edición del genoma", concluye el codirector de la investigación, Durrant. "La capacidad de reorganizar de forma programable dos moléculas de ADN abre la puerta a avances en el diseño del genoma".