Las bacterias enfrentan una amenaza constante de bacteriófagos, virus que infectan específicamente células bacterianas. Para contrarrestar esta amenaza, han desarrollado múltiples sistemas de defensa, pero cómo estos sistemas se coordinan entre sí ha permanecido como un misterio científico fundamental hasta ahora.

Un equipo internacional de investigadores ha descubierto CRISIS (sistema inmunológico supervisado por CRISPR), un paradigma regulador generalizado en el que los loci de CRISPR-Cas de tipo I incrustan y modulan transcripcionalmente diversas defensas innatas, según la investigación publicada en Nature. Este hallazgo revela cómo las bacterias han evolucionado para equilibrar la protección contra patógenos con la viabilidad de su propio crecimiento.

El mecanismo funciona mediante moléculas de ARN no canónicas similares a ARN CRISPR (crRNA), que guían el complejo efector Cascade (complejo asociado a CRISPR para defensa antiviral) para inhibir promotores de diversos "cassettes" inmunológicos, incluyendo clusters de múltiples sistemas. Esta inhibición permite que estos sistemas de defensa mantengan una expresión basal suficiente para actividad antiviral, mientras mitiga simultáneamente los costos de aptitud asociados con la hiperactivación, como el deterioro del crecimiento del hospedador o la exclusión de plásmidos beneficiosos.

El equilibrio es crítico. Cuando el sistema CRISPR-Cas se ve comprometido por mutaciones o por proteínas anti-CRISPR (moléculas que algunos bacteriófagos han evolucionado para neutralizar las defensas CRISPR), ocurre un aumento explosivo en la transcripción de estos sistemas de defensa incrustados. Este aumento resulta en una inmunidad innata de nivel superior, pero a expensas de la aptitud del hospedador, lo que demuestra el delicado equilibrio que las bacterias deben mantener.

Los investigadores identificaron que los sistemas CRISPR-Cas adaptativos orquestan diversas defensas innatas en una red de defensa estratificada. Esta arquitectura funciona como una estrategia de "guardián de inmunidad" procariota, donde el sistema CRISPR actúa como regulador maestro que supervisa y controla la activación de defensas más primitivas.

El estudio incluyó análisis de múltiples sistemas CRISIS (designados CRISIS1 a CRISIS6) y demostró que el mecanismo es ampliamente distribuido entre bacterias. Los investigadores utilizaron técnicas de secuenciación de ARN pequeño, ensayos de movilidad electroforética (EMSA), análisis de extensión de cebador y ensayos de inmunidad contra bacteriófagos para validar sus hallazgos.

Entre los sistemas de defensa regulados identificados se encuentran Sir2-HerA, un sistema que agota el NAD+ (dinucleótido de adenina y nicotinamida) en células infectadas, y Thoeris de tipo IV, otro mecanismo antiviral. Los investigadores también identificaron un sistema denominado Wukong, que demuestra la diversidad de defensas que pueden ser reguladas por CRISPR.

El descubrimiento tiene implicaciones significativas para la comprensión de la evolución microbiana y la carrera armamentística entre bacterias y sus depredadores virales. Revela que las bacterias no simplemente acumulan sistemas de defensa de manera aleatoria, sino que han desarrollado sofisticados mecanismos reguladores para coordinar estas defensas de manera óptima.

Los datos del estudio, incluyendo resultados de experimentos de secuenciación de ARN, han sido depositados en el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) con el número de acceso del BioProject PRJNA1159167. Las cepas y plásmidos utilizados están disponibles del autor correspondiente.

Este trabajo fue financiado por múltiples organismos de investigación, incluyendo el Programa Estratégico de Investigación Prioritaria de la Academia China de Ciencias, el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de China, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, y otros fondos institucionales y postdoctorales.