Noua unealtă de editare a genomului descoperă potențialul fungilor de a produce medicamente
Cercetătorii au investit zeci de ani și miliarde de dolari în secvențierea genomurilor animalelor și culturilor, însă ciupercile au fost istoric uitate, observate doar atunci când strică pâinea sau colonizează degetele.
Această neglijare este destul de remarcabilă, având în vedere modul în care ciupercile au influențat medicina modernă. De la descoperirea accidentală a penicilinei până la statinele care reduc colesterolul, multe descoperiri recente în domeniul longevității se datorează chimiei fungice. Dar, în ciuda acestui fapt, majoritatea regnului fungic rămâne o cutie neagră.
Xue „Sherry” Gao, inginer chimic și biomolecular, subliniază că un motiv principal pentru acest mister este că, atunci când sunt crescute în condiții sterile de laborator, ciupercile dezactivează căile genetice de producție a medicamentelor pe care le sintetizează în sălbăticie pentru a combate bacteriile.
„Pentru a reactiva acele căi tăcute, aveam nevoie de o metodă puternică de a manipula precis genomul fungilor, cum ar fi editarea genelor lor de reglementare principale, dar instrumentele tradiționale nu erau la înălțime”, spune Gao.
Acum, Gao și echipa sa de la Școala de Inginerie și Științe Aplicate au dezvoltat un nou instrument de editare a genomului, numit fPE7max, pentru a naviga complexitatea arhitecturii genetice a mucegaiurilor filamentose, cum ar fi Aspergillus sau Penicillium, care a dat lumii penicilina, și pentru a debloca secretele acestui regat uitat.
Rezultatele lor au fost publicate în Nature Biotechnology.
„Am izolat 18 molecule complexe distincte, dintre care opt aveau structuri chimice complet noi pentru știință”, spune Chunxiao Sun, cercetător postdoctoral în laboratorul lui Gao. „Dintre aceste molecule descoperite, trei au prezentat proprietăți anti-cancerigene promițătoare. Aceste molecule pot servi ca compuși de bază pentru tratamentele bolilor, oferind un nou canal vital pentru descoperirea medicamentelor.”
Sun adaugă că o moleculă nouă a arătat toxicitate selectivă împotriva celulelor de cancer mamar, hepatic și leucemie.
Rescriind manualul de genomi pentru ciuperci
În ultimul deceniu, CRISPR-Cas9 a fost instrumentul de tăiere a genelor care a captat atenția. Însă Gao explică că, în cazul ciupercilor filamentose, care sunt surse bogate de compuși antibacterieni, acesta poate fi un instrument necorespunzător, rezultând în mutații neintenționate.
O tehnologie mai nouă, numită editare primară, evită complet ruperea dublu-fir, permițând un control precis asupra secvențelor ADN. Dar adaptarea editării primare pentru regatul fungic a fost o provocare.
În primul rând, echipa a trebuit să se asigure că instrucțiunile genetice supraviețuiesc călătoriei prin celulă. Editarea primară se bazează pe un ARN ghid – un manual molecular de instrucțiuni care spune instrumentului unde să meargă și ce cod nou să scrie. Însă când cercetătorii încearcă să facă modificări masive, aceste manuale pot deveni nerezonabil de lungi, făcându-le fragile și predispuse la degradare înainte ca lucrarea de editare să fie finalizată.
Soluția lor a fost integrarea unei proteine speciale, fLa, în instrumentul lor. fLa acționează ca un legător solid și protector care apără instrucțiunile fragile ARN, permițând fPE7max să gestioneze inserțiile și ștergerile masive de ADN care fac ca alte instrumente să se defecteze.
În al doilea rând, echipa a trebuit să împiedice celulele fungice să detecteze noile modificări ale cercetătorilor, marcându-le ca erori și readucând ADN-ul la secvența sa originală. Pentru a depăși acest obstacol, echipa a integrat o proteină specializată care reduce temporar sistemul natural de reparare al ciupercii, suficient de mult încât noul cod genetic să se fixeze permanent.
Organisme antice, știință nouă
Platforma rezultată, fPE7max, atinge o eficiență de editare de aproape 90%. Folosind fPE7max pentru a activa aceste clustere genice fungice tăcute, echipa a descoperit compuși anterior necunoscuți.
Pentru a testa noul instrument, cercetătorii au vizat secvențele de reglementare ale unei gene principale numite laeA, care controlează o rețea vastă de căi biosintetice. Prin utilizarea fPE7max pentru a edita cu precizie obstacolele moleculare care mențin natural traducerea acestei gene reprimată, au reușit să trezească clusterele genice tăcute din diverse specii fungice, găsind molecule cu proprietăți anti-cancerigene promițătoare.
„Este o dovadă convingătoare de concept că următoarea generație de terapeutice salvatoare de viață ar putea exista deja în natură”, adaugă Gao.
Privind înainte, echipa intenționează să utilizeze fPE7max pe o gamă mult mai largă de specii fungice pentru a continua căutarea de produse naturale noi. Cercetătorii speră să treacă de la abordarea de tip „vânătoare de comori” a cercetării fungilor sălbatici care ar putea produce medicamente utile la o eră a optimizării sistematice.
