Il celebre strumento di modifica genetica CRISPR è nato come difesa batterica contro i virus invasori. Ma si è scoperto che gli obiettivi prefissati (i virus appunto) hanno rubato CRISPR per i propri arsenali difensivi.
Un nuovo studio rivela che migliaia di virus che attaccano i batteri noti come batteriofagi (fagi, in breve) contengono le sequenze genetiche del sistema CRISPR, suggerendo che potrebbero schierarle contro i fagi rivali.
La scoperta è una testimonianza del potere dell’arma molecolare e potrebbe rendere CRISPR ancora più prezioso come editor di geni di laboratorio. La scoperta “apre le porte a possibili nuove applicazioni dei sistemi CRISPR”, afferma il genomista Mazhar Adli della Feinberg School of Medicine della Northwestern University, che non era collegato alla ricerca.
Come altri virus, i fagi non possono riprodursi da soli. Invece, dirottano il meccanismo molecolare dei batteri, spesso uccidendo i loro ospiti nel processo. Il sistema CRISPR consente ai batteri di reagire. Include tratti ripetitivi di DNA che corrispondono a sequenze di fagi incontrati in precedenza.
Se questi stessi fagi attaccano di nuovo un batterio, utilizzano questo DNA ripetitivo per codificare filamenti di RNA che possono guidare un enzima partner, che agisce come un paio di forbici genetiche, per tagliare il genoma del fago in punti specifici.
Negli ultimi dieci anni, gli scienziati hanno lavorato per trasformare questa difesa immunitaria in una tecnica di modifica genetica per una miriade di usi, incluso il miglioramento delle difese delle colture, la rilevazione di agenti patogeni e la lotta contro malattie come il cancro.
Il DNA caratteristico che codifica i componenti del sistema CRISPR aveva precedentemente trovato in una manciata di fagi. Ma gli scienziati hanno considerato queste scoperte come semplici “curiosità”, afferma la biologa strutturale Jennifer Doudna dell’Università della California (UC), Berkeley, che ha condiviso il Premio Nobel per la Chimica 2020 per aver mostrato come adattare il sistema CRISPR per mirare a sequenze particolari.
“Ma ci hanno fatto domandare se questi sistemi fossero più comuni”.
CRISPR e Fagi
Per scoprirlo, Doudna, la geomicrobiologa della UC Berkeley Jillian Banfield e i loro colleghi sono andati alla ricerca di ulteriori esempi di CRISPR nel mondo dei fagi.
Hanno sondato il DNA prelevato da una varietà di ambienti ricchi di ospiti batterici per i virus, inclusi il suolo e la bocca umana. Questa rete a strascico ha scoperto più di 6000 tipi di fagi che contengono il DNA del sistema CRISPR, gli scienziati riferiscono online su Cell.
Hanno anche esaminato le sequenze del genoma dei fagi che erano state pubblicate in database online e hanno trovato ancora più istanze dei virus portatori di CRISPR. Sebbene meno dell’1% dei fagi mostri le sequenze, i ricercatori non si aspettavano “una distribuzione così ampia di un sistema antifagico nei fagi”, afferma Doudna.
Perché i fagi dovrebbero acquisire un sistema che si è evoluto per contrastarli? La ragione più probabile, dice Doudna, è battere la concorrenza. Più virus possono attaccare un batterio contemporaneamente, portando a “guerre fagiche” all’interno di una cellula infetta, dice.
I batteri sono anche vulnerabili ai filamenti di DNA canaglia noti come plasmidi che costringono le cellule a copiarli. Distruggendo questi rivali con il sistema CRISPR, i fagi “possono avere il meccanismo di replicazione tutto per sé”, dice Doudna.
I fagi presumibilmente hanno rubato queste sequenze del sistema CRISPR dalle loro vittime microbiche, dice. Da allora, i virus hanno personalizzato i sistemi per i propri fini. Ad esempio, alcuni fagi sembrano aver perso la capacità di generare determinate molecole in grado di uccidere i batteri, forse per preservare i loro ospiti per produrre più fagi.
I trucchi di modifica genetica dei fagi possono ispirare nuove biotecnologie. Ad esempio, la maggior parte degli approcci basati su CRISPR ora si basa sull’enzima Cas9 per tagliare il DNA. Tuttavia, Cas9 è così grande che non può adattarsi ad alcuni virus utilizzati per modificare geneticamente le cellule.
Un certo numero di fagi, tuttavia, vanta una versione ridotta nota come Cas-lambda che è circa il 50% più piccola, ha scoperto il team di Doudna e Banfield. Adli afferma che questo enzima più piccolo potrebbe consentire nuove applicazioni di modifica genetica per CRISPR, come l’alterazione dei genomi delle piante, sebbene i ricercatori debbano prima superare diversi ostacoli di bioingegneria.
Il microbiologo Joseph Bondy-Denomy della UC San Francisco afferma che Doudna e Banfield hanno mostrato un livello di sinergia “[John] Lennon-[Paul] McCartney” nel scovare così tanti fagi portatori di CRISPR che erano sfuggiti ad altri scienziati.
Tuttavia, vuole vedere le prove che i fagi utilizzano effettivamente i loro sistemi CRISPR quando invadono i batteri. Bondy-Denomy sospetta anche che molti altri fagi che maneggiano CRISPR stiano aspettando di essere scoperti. “Il prossimo passo sarà qualcosa di più concreto”, dice.
