O CRISPR-Cas se tornou um superstar na última década como uma ferramenta de edição de genes com potencial revolucionário, especialmente nas ciências da saúde. Originalmente conhecido como uma defesa imunológica em bactérias, o CRISPR-Cas de ocorrência natural provou ser mais diversificado e versátil na natureza do que os pesquisadores científicos acreditavam. Agora, um grupo de pesquisadores do Departamento de Biologia da Universidade de Copenhague investigou a prevalência de sistemas CRISPR-Cas em plasmídeos.
Os pesquisadores examinaram mais de 30.000 genomas de plasmídeos completos e encontraram CRISPR-Cas em cerca de três por cento deles – uma alta proporção, mesmo quando comparada a bactérias. Eles também encontraram vários representantes de até cinco dos seis tipos conhecidos de CRISPR-Cas nos genomas de plasmídeos estudados. Os resultados demonstram que os sistemas CRISPR-Cas são difundidos e diversos em plasmídeos e, curiosamente, que a grande maioria deles tem como alvo outros plasmídeos.

"Em parte, isso é empolgante porque apoia uma compreensão mais recente dos plasmídeos como tendo um grau mais alto de autonomia de suas células hospedeiras, normalmente bactérias. Mas também porque, a longo prazo, pode abrir caminhos para combater a virulência e a resistência em bactérias, que os plasmídeos ajudam a se espalhar", explica Rafael Pinilla-Redondo, um dos principais pesquisadores do estudo e sediado no Departamento de Biologia da Universidade de Copenhague.

O CRISPR age como um GPS genômico, onde uma memória armazenada de fragmentos de DNA estranhos pode ser usada para localizar um alvo para proteínas Cas, as "tesouras genéticas". Na maioria das descobertas do estudo, foi o DNA de outros plasmídeos que foi descoberto na memória imunológica dos sistemas CRISPR-Cas - ou seja, colocado na mira.

Parte de uma mudança de paradigma

Segundo os pesquisadores, isso sugere uma luta por recursos entre os plasmídeos, onde os plasmídeos atendem a seus próprios interesses, trabalhando ativamente para impedir que outros plasmídeos acessem a bactéria hospedeira na qual residem. Nesta batalha, eles usam o CRISPR como arma.

Os pesquisadores tiveram a oportunidade de examinar simultaneamente as bactérias hospedeiras do conjunto de dados de mais de 30.000 plasmídeos para as mesmas sequências de CRISPR-Cas. A ideia era estudar se as sequências encontradas nos plasmídeos espelhavam o conteúdo de CRISPR nas células hospedeiras, mas isso geralmente não era o caso.

"Nossas descobertas sugerem que os plasmídeos têm um alto grau de autonomia em relação às bactérias em que vivem. Embora os plasmídeos dependam de seu hospedeiro, eles também são entidades geneticamente independentes que atendem a seus próprios interesses. Seu conteúdo diferente de CRISPR-Cas é um ótimo exemplo de essa autonomia", diz Rafael Pinilla-Redondo.

Os novos resultados da pesquisa contribuirão para o que os pesquisadores consideram uma mudança de paradigma na microbiologia. Em microbiologia, fluxo gênico ou transferência gênica refere-se a quando o material genético se move entre as células, mediado por elementos genéticos móveis. Enquanto alguns elementos genéticos móveis são permitidos para o benefício de uma célula, outros são interrompidos porque são prejudiciais. O entendimento comum há muito é que as bactérias controlam o fluxo gênico.

A mudança de paradigma aponta para uma compreensão de onde as bactérias realmente desempenham um papel muito menos importante influenciando o fluxo gênico.

“O que antes se supunha serem bactérias lutando para se proteger de parasitas genéticos, como vírus e plasmídeos, é muito mais complexo. vivem atrás da orelha de uma vaca", explica Rafael Pinilla-Redondo.

A possibilidade de novas armas contra a resistência a antibióticos

O novo conhecimento sobre como os plasmídeos usam o CRISPR pode afetar a forma como combatemos bactérias perigosas no futuro. Os plasmídeos são a chave para a disseminação de genes nocivos entre bactérias através do que é conhecido como transferência horizontal de genes.

A proliferação de material genético é crucial para a capacidade das bactérias de se adaptarem a novos ambientes e desafios. De uma bactéria resistente a antibióticos, um plasmídeo pode copiar a si mesmo e transferir essa propriedade para as bactérias vizinhas como parte de seu próprio DNA.

Como tal, as batalhas entre plasmídeos podem ajudar os pesquisadores a aprender mais sobre como combatê-los também.

"Ao entender como os plasmídeos competem entre si, podemos aprender como desacelerá-los e, assim, retardar a propagação da resistência aos antibióticos e propriedades virulentas e nocivas entre as bactérias", diz Søren Johannes Sørensen, professor de microbiologia e co-autor de o artigo de pesquisa.

"A longo prazo, é possível que possamos tornar nossas as estratégias dos plasmídeos e usá-las como ferramentas. Sem emprestar da natureza, estaríamos bastante limitados. Mas se pudermos aprender sobre os pontos fortes e fracos do plasmídeos de si mesmos, as oportunidades surgirão", diz ele.

O que significa CRISPR-Cas?

Fragmentos de DNA (CRISPR) e tesouras de proteína Cas (por exemplo, Cas9) podem localizar sequências de DNA específicas e cortá-las.

Prevê-se que o CRISPR-Cas desempenhe um papel revolucionário como ferramenta de edição de genes, inclusive nas ciências da saúde, para o tratamento de distúrbios genéticos, entre outras coisas.

Os sistemas CRISPR foram originalmente vistos como um sistema imunológico para bactérias, particularmente contra vírus. No entanto, muitos pesquisadores agora veem o CRISPR-Cas como uma ferramenta de "armas de aluguel" que pode ser implantada para uma infinidade de propósitos, por muitos atores diferentes, incluindo bactérias, plasmídeos e humanos.

O que é um plasmídeo?

Um plasmídeo é uma pequena molécula de DNA em forma de anel, um chamado elemento genético móvel, encontrado em bactérias e alguns outros tipos de microorganismos.

É uma reminiscência de vírus, pois ambos são parasitas dentro das células. Os plasmídeos podem se reproduzir independentemente da célula hospedeira e muitas vezes fornecem benefícios à célula hospedeira.

Entre outras coisas, eles podem dar ou transferir propriedades genéticas para uma bactéria, como torná-la resistente a antibióticos ou patogênica, em um processo conhecido como transferência horizontal de genes.

Os plasmídeos têm sido uma ferramenta importante na biologia molecular para, entre outras coisas, a clonagem de genes e a introdução de material genético em células bacterianas.

O que é transferência horizontal de genes?

A transferência horizontal de genes é quando um organismo transfere genes para outro organismo que não é sua própria descendência.

Em grande medida, a capacidade das bactérias de se adaptarem a novos ambientes e desafios depende do fornecimento de novos genes dessa maneira.

O fenômeno é responsável pela iminente crise de resistência aos antibióticos, pois as bactérias desenvolvem rapidamente resistência aos antibióticos adquirindo genes resistentes. É muitas vezes mediado por plasmídeos, tornando a proliferação de plasmídeos um problema de saúde pública global.

Sobre o estudo:pesquisadores criaram um scanner CRISPR

Para estudar a prevalência de CRISPR-Cas em plasmídeos, os pesquisadores usaram a maior coleção de genomas de plasmídeos completamente sequenciados, um conjunto de dados compilado por pesquisadores de todo o mundo.

Para gerenciar as grandes quantidades de dados, os pesquisadores do Departamento de Biologia desenvolveram um software para verificar peças CRISPR conhecidas. O programa, chamado CRISPRCasTyper, já foi disponibilizado gratuitamente para outros pesquisadores. + Explorar mais

Os humanos não são os primeiros a redirecionar o CRISPR