El kit de herramientas Safe Genes toma forma

El kit de herramientas Safe Genes toma forma

 

 https://www.darpa.mil/news-events/2019-10-15

 Los éxitos en los primeros dos años del programa Safe Genes establecen las bases tecnológicas y la verdad fundamental en apoyo de los recursos emergentes y adaptables de DARPA para la investigación de edición segura del genoma

DARPA lanzó el programa Safe Genes en 2017 para establecer una estrategia de "seguridad por diseño" para guiar el desarrollo de una variedad de tecnologías de edición de genoma emergentes y poderosas. De acuerdo con la Estrategia Nacional de Biodefensa publicada el año pasado, los objetivos de DARPA para Genes Seguros son mitigar los riesgos y preocupaciones de seguridad relacionados con el mal uso accidental o intencional de dichas tecnologías y, al mismo tiempo, permitir la búsqueda de soluciones genéticas novedosas que apoyen la salud y protección y preparación de la fuerza militar.

En los primeros dos años del programa, los artistas de Safe Genes trabajaron para obtener una comprensión fundamental de cómo funcionan las tecnologías de edición del genoma y cómo se pueden controlar o contrarrestar. Para hacerlo, los investigadores desarrollaron nuevas herramientas y mediciones moleculares y lideraron el descubrimiento a través de experimentos de laboratorio y simulaciones por computadora. Los resultados alentadores de esta primera fase del programa respaldan el desarrollo continuo de mecanismos de seguridad y contramedidas para controlar, bloquear y revertir los efectos de los editores del genoma, así como la creación de nuevas tecnologías para aplicarlas de manera segura, responsable y predecible cuando se justifique. .

“Durante la primera fase de Safe Genes, nos enfocamos en la realidad, los fundamentos tecnológicos y las primeras pruebas de concepto para determinar qué vías de investigación son más prometedoras”, dijo Renee Wegrzyn, gerente del programa Safe Genes. “Los equipos restantes de Safe Genes están encabezando enfoques únicos que respaldan el desarrollo de un conjunto de soluciones adaptables, modulares y en capas”.

Por ejemplo, el equipo de investigación dirigido por el Hospital General de Massachusetts (MGH) busca un enfoque multifacético para mejorar las capacidades de edición de genes mediante la introducción de un mayor control sobre cuándo y dónde funcionan los editores en el genoma: avances necesarios para el uso de editores con fines terapéuticos. propósitos Ya han desarrollado herramientas para medir con precisión las ediciones no deseadas conocidas como efectos fuera del objetivo, junto con software de código abierto para analizar rápidamente los datos de secuenciación, y han aplicado estas tecnologías al diseño informado de guías y editores novedosos que mejoran el rendimiento general y reducen efectos fuera del objetivo.

El equipo de MGH demostró por primera vez su tecnología de diseño midiendo y validando la precisión de los nuevos editores durante experimentos de laboratorio en modelos de ratones.i Con la tecnología, conocida como VIVO por "Verificación de objetivos in vivo fuera de los objetivos", el equipo pudo identificar con gran sensibilidad, cualquier mutación fuera del objetivo después de la introducción de un editor de genoma CRISPR-Cas.

Posteriormente, el equipo de MGH contribuyó a la comunidad de investigación con un recurso de software de código abierto llamado "CRISPResso2" para el análisis rápido de las secuencias de edición del genoma.ii Antes de CRISPResso2, los largos tiempos de procesamiento y las imprecisiones asociadas con las herramientas de análisis anteriores hacían los efectos del objetivo son en gran medida inviables. Con CRISPResso2, los resultados de un experimento que utiliza tecnologías modernas de secuenciación de alto rendimiento ahora se pueden procesar y analizar en menos de un minuto con una tasa de falsos positivos insignificante (<0,01).

MGH también entregó nuevos hallazgos y herramientas para mejorar el rendimiento de los editores de base, una clase de proteínas de edición de genes que los científicos inicialmente pensaron que podrían evitar algunos efectos no deseados porque funcionan sin la necesidad de romper por completo la estructura del ADN. Sin embargo, el equipo de MGH informó que incluso los editores básicos pueden contribuir a los efectos fuera del objetivo al editar inesperadamente las transcripciones de ARN.iii, iv El equipo descubrió que los editores básicos son capaces tanto de editar ARNm en todo el transcriptoma como de autoeditar sus propias transcripciones. potencialmente conduciendo a la expresión de proteínas alternativas. MGH abordó este problema mediante el uso de ingeniería guiada por estructuras para crear editores de base que inducen sustancialmente menos alteraciones fuera del objetivo del ARN en células humanas y reducen la autoedición a niveles indetectables mientras preservan, e incluso mejoran, la actividad de edición de ADN deseada. La investigación es un primer paso importante hacia la traducción de las herramientas de edición del genoma CRISPR-Cas del uso de laboratorio al uso clínico.

Otros investigadores de Safe Genes están desarrollando herramientas para contrarrestar la actividad de edición del genoma y proteger la integridad del genoma de los organismos contra cambios no deseados. Los equipos dirigidos por la Universidad de California, Berkeley (UCB) y MGH han caracterizado la capacidad de las proteínas naturales anti-CRISPR para bloquear cambios que de otro modo serían inducidos por los editores del genoma. Su trabajo abarca no solo proteínas eficaces contra Cas9, sino también, por primera vez, proteínas anti-CRISPR-Cas12a que han demostrado bloquear o disminuir las modificaciones en cultivos de células humanas. En una serie de cuatro análisis, los investigadores sentaron las bases para comprender cómo protegerse contra la diversidad de editores de genoma CRISPR actuales y futuros.v,vi,vii,viii

Como complemento de este trabajo de proteína anti-CRISPR, el equipo de Safe Genes dirigido por el Broad Institute/Brigham and Women's Hospital/Harvard Medical School (Broad) también desarrolló métodos de alto rendimiento para la detección de proteínas Cas6 e inhibidores.x Usando estos métodos, los investigadores descubrió nuevos inhibidores y activadores de moléculas pequeñas y los aplicó para lograr un control espaciotemporal activado por la luz de Cas9.xi En el futuro, estas tecnologías podrían aplicarse, por ejemplo, para aumentar la precisión de la actividad de edición del genoma en el cuerpo durante las aplicaciones terapéuticas de editores o para negar los efectos del uso no autorizado de editores contra un individuo o en un entorno ambiental dado.
A nivel macro, los equipos de Safe Genes están estudiando los mecanismos de control y las contramedidas contra los impulsores genéticos: herramientas de edición del genoma diseñadas para impulsar rápidamente las modificaciones genéticas en un gran número de especies en particular dentro de un área determinada. Los impulsores genéticos se han discutido en los círculos de salud pública como una posible solución para contener la propagación de enfermedades infecciosas como la malaria y el zika mediante el control de la capacidad de los insectos vectores para transmitir patógenos. Sin embargo, en el momento en que DARPA lanzó Safe Genes, la investigación existente no había desarrollado adecuadamente estrategias para limitar la propagación de impulsores genéticos de una manera predecible, y no había tenido en cuenta los numerosos factores ambientales y genéticos que introducirían complejidad si se liberara un impulsor genético en el mundo real. Esa brecha en el conocimiento no solo impidió el progreso en el desarrollo de estrategias de control de enfermedades, sino que también sirvió como un punto ciego en la preparación de la seguridad nacional.

Safe Genes se propuso establecer la verdad básica del rendimiento de los impulsores genéticos. Los ejecutantes del programa están combinando modelos matemáticos, ensayos en jaulas y experimentos avanzados realizados en entornos naturales bioseguros y simulados para agregar capas de complejidad, comprender cómo podrían funcionar realmente las tecnologías de impulsores genéticos e informar el desarrollo de herramientas que pueden controlar, contrarrestar o revertir sus efectos. Los equipos de Safe Genes también están definiendo cómo varios modos de falla, incluida la resistencia genética funcional, xii pueden evitar que una unidad se arraigue.

Los investigadores de Safe Genes hablan públicamente sobre sus esfuerzos en curso mientras esperan la publicación de los resultados iniciales. El Dr. Omar Akbari, investigador principal del equipo dirigido por la Universidad de California, Riverside (UCR) y la Universidad de California, San Diego, se enfoca en diseñar impulsores genéticos autolimitantes que deben cumplir con ciertos requisitos de umbral antes de que puedan propagarse a través de una población. .xiii El Dr. Amit Choudhary, investigador principal del equipo de Broad, está desarrollando medios de ingeniería de dependencias químicas en Cas9 para ajustar la actividad de los impulsores genéticos.xiv

Si bien la investigación continúa para comprender el rendimiento de los impulsores genéticos y mejorar los controles, el programa Safe Genes también ha producido una tecnología de control de vectores basada en CRISPR de próxima generación que es escalable, autolimitante, altamente efectiva y segura. El equipo dirigido por la UCR publicó detalles de una técnica novedosa de insectos estériles que tiene el potencial de prevenir la propagación de enfermedades como el dengue y el zika al reducir localmente el número de vectores de una manera predecible y controlable.xv Resultados tempranos y positivos como estos del están creando espacio para nuevas inversiones por parte de otras agencias gubernamentales, organizaciones no gubernamentales y universidades.

“Lo que encuentro más inspirador sobre los resultados de Safe Genes hasta la fecha es que nuestro trabajo cambia la comprensión tradicional de la investigación de doble uso”, dijo Wegrzyn. “Nos propusimos proteger contra el mal uso de los editores de genoma y, en virtud de progresar en esa misión, también estamos sentando las bases para aplicaciones seguras, predecibles y potencialmente transformadoras de la tecnología para preservar la salud de los miembros del servicio y apoyar salud pública de manera más amplia. Es un buen ejemplo de cómo DARPA puede liderar el camino en un campo emergente para facilitar que otras comunidades y organizaciones profundicen más”.

Los equipos de Safe Genes están dirigidos por universidades y centros de investigación médica afiliados a universidades que realizan investigaciones fundamentales contratadas. Recientemente, el programa Safe Genes pasó a su segunda fase con la continuación de cuatro equipos: Broad, MGH, UCB y UCR. Estos equipos continuarán publicando los resultados a medida que estén disponibles. Además, DARPA alienta a los equipos a ajustar sus proyectos según sea necesario para incorporar nuevos hallazgos y tecnologías de otros lugares en el campo de la edición del genoma, que evoluciona rápidamente.

yo https://www.nature.com/articles/s41586-018-0500-9
ii https://www.nature.com/articles/s41587-019-0032-3
iii https://www.nature.com/articles/s41586-019-1161-z
iv https://www.nature.com/articles/s41587-019-0236-6
v http://science.sciencemag.org/content/early/2018/09/05/science.aau5138
vi http://science.sciencemag.org/content/early/2018/09/05/science.aau5174
vii https://www.nature.com/articles/s41594-019-0208-z
viii https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(17)30935-8
ix https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/sc/c8sc03426e
x https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30395-2
xi https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201900788
xiii https://www.nature.com/articles/nbt.4245
xiii https://www.genengnews.com/insights/crispr-accelerated-gene-drives-pump-the-brakes/
xiv https://www.genengnews.com/insights/a-toolbox-for-keeping-crispr-in-check/
xiv https://www.nature.com/articles/s41467-018-07964-7