Os pesquisadores investigam sistematicamente a eficácia dos agentes antimicrobianos CRISPR
Crédito:Pesquisa de Ácidos Nucleicos (2024). DOI:10.1093/nar/gkae281 O potencial antimicrobiano dos sistemas CRISPR-Cas é promissor, mas a melhor forma de projetar ou implementar nucleases CRISPR permanece pouco compreendida. Uma equipa internacional liderada pelo Instituto Helmholtz para Investigação de Infecções Baseadas em ARN (HIRI) em Würzburg abordou agora esta lacuna de conhecimento.
Os pesquisadores conduziram o primeiro interrogatório sistemático de antimicrobianos CRISPR usando bactérias multirresistentes e hipervirulentas como estudos de caso, revelando grandes variações na eficácia que poderiam ser previstas por meio de triagem de alto rendimento e aprendizado de máquina. Suas descobertas foram publicadas na revista Nucleic Acids Research .
A descoberta de compostos antimicrobianos, como os antibióticos convencionais, transformou a medicina, permitindo o tratamento de infecções que antes eram consideradas intratáveis. No entanto, o processo de desenvolvimento de novos agentes abrandou, enquanto a utilização inadequada dos antibióticos existentes alimentou o aparecimento de resistência aos antibióticos. Consequentemente, há uma necessidade crescente de novos meios para erradicar os patógenos.
Os sistemas CRISPR-Cas, mecanismos imunológicos adaptativos que as bactérias empregam para se defenderem contra a invasão viral, oferecem uma solução distinta através de sua capacidade de eliminar seletivamente micróbios com base apenas em sequências genéticas. No entanto, até à data, faltam estudos sistemáticos para avaliar a eficácia destes antimicrobianos CRISPR - especialmente em diferentes nucleases, locais-alvo e estirpes bacterianas.
Para colmatar esta lacuna, uma equipa internacional liderada pelo Instituto Helmholtz para Investigação de Infecções Baseada em ARN (HIRI), um local do Centro Helmholtz de Investigação de Infecções (HZI) de Braunschweig, em cooperação com a Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), realizou agora o primeiro interrogatório abrangente desses novos agentes. A sua investigação centra-se na Klebsiella pneumoniae, uma bactéria conhecida pela sua associação com a resistência aos antibióticos.
“Klebsiella pneumoniae oferece um estudo de caso particularmente convincente, uma vez que compreende numerosas cepas com características variadas de virulência e resistência”, diz Chase Beisel, chefe do departamento de Biologia Sintética de RNA do HIRI e professor da Faculdade de Medicina da JMU. Ele liderou o estudo internacional em colaboração com pesquisadores do Institut Pasteur em Paris, França, da Universidade de Tel Aviv em Israel, do HZI e da Universidade de Toronto no Canadá.
A equipe combinou experiência em tecnologias CRISPR, bactérias Klebsiella, distribuição de bacteriófagos, telas de alto rendimento e aprendizado de máquina necessários para conduzir um estudo dessa escala.
Uma cepa diferente, (às vezes) um efeito diferente
Os sistemas CRISPR-Cas usam um mecanismo de defesa sofisticado:um ácido ribonucleico (RNA) CRISPR ajuda a detectar regiões de um genoma estranho, como DNA ou RNA, para clivagem direcionada. Posteriormente, a nuclease associada ao CRISPR (Cas) corta seu alvo de forma semelhante a uma tesoura molecular.
Os cientistas descobriram que diferentes nucleases CRISPR apresentam eficácias muito variadas. Em seus experimentos, as nucleases direcionadas ao DNA apresentaram desempenho superior em comparação com aquelas focadas no RNA.
Além disso, diferentes tipos de K. pneumoniae mostraram variação na sua sensibilidade a um antimicrobiano CRISPR, apesar de empregarem nucleases idênticas para atingir locais idênticos. Elena Vialetto, primeira autora do estudo e ex-Ph.D. estudante do laboratório Beisel, afirma:"A atividade antimicrobiana variável entre bactérias relacionadas foi surpreendente, dado o uso das mesmas construções CRISPR. Atribuímos essa diferença ao dobramento dos RNAs CRISPR que orientam o direcionamento do DNA."
Beisel acrescenta:“Este estudo é o primeiro a demonstrar que a eficácia antibacteriana pode variar mesmo entre cepas relacionadas”.
Para explorar características que poderiam melhorar a segmentação em várias estirpes, os investigadores realizaram um rastreio genómico em diferentes tipos de K. pneumoniae. Este esforço produziu princípios e parâmetros de design para possíveis antimicrobianos CRISPR e facilitou o treinamento de um algoritmo para prever sua eficiência.
Fagos como cavalos de Tróia
A equipe também se aventurou na próxima etapa do desenvolvimento do agente ativo, ou seja, a entrega. Os pesquisadores usaram bacteriófagos como veículos para os antimicrobianos CRISPR, que equiparam com fibras de cauda modificadas para aumentar o alcance da carga CRISPR.
Este estudo estabelece as bases para o desenvolvimento do CRISPR como meio de prevenir ou tratar infecções resistentes a antibióticos.
“Esperamos que este trabalho traga maior visibilidade ao uso do CRISPR como um antimicrobiano de espectro personalizado na luta contínua contra a resistência aos antibióticos”, conclui Beisel.
