La edición de genes CRISPR crea una ola de organismos modelo exóticos

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Calamar hawaiano

El calamar hawaiano (Euprymna scolopes) altera los patrones de camuflaje en su piel en función de lo que ve.Crédito: Eric Roettinger / Kahi Kai Images

Joseph Parker ha querido saber qué es lo que hace funcionar a los escarabajos desde que tenía siete años. El entomólogo ha pasado décadas recolectando y observando los insectos, algunos de los cuales viven entre las hormigas y se alimentan de sus larvas. Pero sin herramientas para estudiar los mecanismos genéticos y cerebrales detrás del comportamiento de los escarabajos, Parker centró su investigación de doctorado en Drosophila moscas de la fruta – un organismo modelo establecido.

Ahora, más de una década después, el auge de la técnica de edición de genes CRISPR ha puesto al alcance el sueño de la infancia de Parker. Él está usando CRISPR para estudiar la simbiosis en escarabajos rove (Staphylinidae) en su laboratorio en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena. Al eliminar los genes de los escarabajos que viven con las hormigas y de los que no, Parker espera identificar cómo cambió el ADN de los insectos a medida que sus estilos de vida se separaron. "Estamos diseñando un sistema modelo desde cero", dice.

Los biólogos han adoptado la capacidad de CRISPR para modificar de forma rápida y económica los genomas de organismos modelo populares, como ratones, moscas de la fruta y monos. Ahora están probando la herramienta en especies más exóticas, muchas de las cuales nunca se han criado en un laboratorio o se han analizado sus genomas. "Finalmente estamos listos para comenzar a expandir lo que llamamos un organismo modelo", dice Tessa Montague, bióloga molecular de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York.

Montague trabaja en el calamar hawaiano (Euprymna scolopes) y la sepia enana (Sepia bandensis), especies cuyo camuflaje inusual actúa como una exhibición externa de su actividad cerebral. Los cefalópodos proyectan patrones en su piel para que coincidan con lo que ven a su alrededor. Pero indagar cómo sus cerebros procesan los estímulos ha sido difícil. Los investigadores normalmente lo harían incorporando electrodos u otros sensores en el cráneo, pero los calamares y las sepias no tienen huesos.

El año pasado, Montague y sus colegas inyectaron con éxito componentes CRISPR en embriones de calamar y calamar por primera vez. Ahora, están tratando de modificar genéticamente las neuronas de los cefalópodos para que se enciendan cuando disparan.

Noqueo técnico

Otros investigadores están usando CRISPR para estudiar los comportamientos sociales distintivos de las especies. Daniel Kronauer, biólogo de la Universidad Rockefeller en la ciudad de Nueva York, ha creado hormigas invasoras (Ooceraea biroi) que no pueden oler las feromonas. En experimentos, las hormigas modificadas genéticamente no pudieron sostener la compleja jerarquía vista en una colonia de hormigas cazadoras normales.1. Los científicos ahora están usando CRISPR para alterar los genes que se cree influyen en el comportamiento de las hormigas asaltantes.

Luego hay especies que amenazan la salud humana o ambiental, como el pulgón del guisante (Acitofosfion pisum), un insecto que ataca cultivos de leguminosas en todo el mundo. Para editar el genoma del áfido con CRISPR, un equipo liderado por Shuji Shigenobu, un genetista evolutivo del Instituto Nacional de Biología Básica en Okazaki, Japón, tuvo que manipular el complejo ciclo de vida del insecto. Los áfidos hembras nacidos en verano se reproducen asexualmente, clonándose ellos mismos, mientras que las nacidas en otoño ponen huevos.

El equipo de Shigenobu instaló una incubadora que simulaba las temperaturas frescas y los días cortos de otoño para que sus pulgones pusieran huevos que los científicos podrían inyectar con los componentes CRISPR.

Después de cuatro años, el equipo logró editar un gen de pigmento como prueba de concepto, anunció Shigenobu el mes pasado durante una conferencia en el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Ashburn, Virginia. Espera que al modificar otras partes del genoma del áfido, los investigadores puedan aprender más sobre cómo los insectos interactúan con las plantas. Esa información podría conducir a la producción de mejores pesticidas.

Avanzando lentamente

El desarrollo de modelos animales requiere inmensas cantidades de tiempo y dinero, y hasta hace poco había poco apoyo para tal trabajo. En 2016, la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. Lanzó un programa de US $ 24 millones para crear organismos modelo y, al hacerlo, revela los mecanismos genéticos y moleculares de los rasgos y comportamientos complejos.

El programa apoya la investigación para crear herramientas para explorar los genomas de las especies, estudiar los ciclos de vida de los organismos y desarrollar protocolos para criar estas especies en el laboratorio. Este apoyo ha comenzado a dar sus frutos: en marzo, por ejemplo, los investigadores de la Universidad de Georgia en Atenas dijeron2 que habían utilizado CRISPR para crear el primer reptil modificado genéticamente, el anole marrón (Anolis sagrei).

A pesar de los resultados iniciales tan prometedores, el impulso para crear organismos modelo con CRISPR ha revelado lo poco que se sabe sobre los genomas, los ciclos de vida y los hábitos de muchas especies. Los investigadores enfrentan desafíos prácticos como determinar cómo inyectar componentes CRISPR en embriones y persuadir a las especies delicadas y frágiles para que se reproduzcan en el laboratorio.

"La razón por la que se eligieron los sistemas de modelos clásicos fue que básicamente son plagas. Nada puede detenerlos a crecer ", dice Montague. "Pero si asumimos este desafío de trabajar en nuevos organismos porque tienen una característica increíble, a menudo no están contentos de crecer bajo [just] cualquier condición ".

Esto ha obligado a los científicos a sopesar el esfuerzo requerido para estudiar un rasgo particular contra las recompensas potenciales. La modificación de un genoma requiere una comprensión profunda del comportamiento y el ciclo de vida de una especie, una tarea difícil cuando ese organismo es estudiado por un puñado de personas en todo el mundo. "La gente no está eligiendo estos sistemas modelo a la ligera", dice David Stern, biólogo de Janelia.

Stern lo sabe de primera mano: él y sus colegas lograron criar una especie de mosca de la fruta solo después de descubrir que los insectos necesitan una señal olfativa para poner huevos: el olor de un químico en particular fabricado por las plantas.

Aún así, el interés de los investigadores en desarrollar modelos animales atípicos continúa creciendo. Montague y sus colegas han creado una herramienta llamada CHOPCHOP, que les permite diseñar un sistema CRISPR para editar genes específicos en cualquier fragmento de ADN. Hasta ahora, los científicos le han enviado secuencias genéticas de más de 200 especies diferentes, incluidas plantas, hongos, virus y animales de granja.

"Recibí este recordatorio semanal de que estas herramientas moleculares funcionan en casi todos los organismos del planeta", dice Montague. "Es un momento tan emocionante para trabajar en cualquier organismo modelo, especialmente estas nuevas y extrañas criaturas".

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