La Candida albicans è un famigerato patogeno fungino umano che causa mughetto e gravi infezioni sistemiche. Funghi opportunistici di C. albicans, che spesso vivono in modo poco appariscente nella normale flora della pelle e dell'intestino umani, possono passare dalla loro innocua modalità furtiva a diventare agenti patogeni aggressivi, soprattutto nelle persone il cui sistema immunitario è già compromesso da malattie preesistenti o terapie farmacologiche dure. Possono anche formare biofilm sui dispositivi medici, come cateteri e stent nel corpo umano, portando a infezioni e talvolta alla morte. La minaccia rappresentata dalle forme dell'agente patogeno sia libere che legate al biofilm è in costante crescita, poiché i ceppi virulenti di C. albicans stanno diventando sempre più resistenti ai pochi farmaci disponibili per curarli.

I microbiologi stanno affrontando enormi difficoltà nella loro ricerca per combattere la resistenza ai farmaci di C. albicans e la formazione di biofilm. Ogni microbo di C. albicans è un organismo "diploide", poiché di solito contiene due copie del suo intero genoma e di tutti i geni codificati all'interno. Però, per capire il ruolo che gioca un gene specifico, i ricercatori devono essere in grado di eliminare entrambe le copie contemporaneamente, permettendo loro di osservare gli effetti della totale assenza del gene, che è stata una sfida difficile in C. albicans. Inoltre, i geni giocano spesso ruoli molto simili e talvolta ridondanti in molti processi, compresa la resistenza ai farmaci e la formazione di biofilm, il che significa che è necessario eliminare più di un gene per identificare quei geni le cui funzioni sono collegate.

Per affrontare la sfida della delezione genica in C. albicans, un team collaborativo guidato da James Collins e George Church, due membri principali della Facoltà presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard, hanno sviluppato una piattaforma di "gene drive" basata su CRISPR-Cas9 per creare ceppi diploidi del patogeno in cui entrambe le copie geniche potrebbero essere eliminate in modo efficiente. La tecnica può aprire la strada a una migliore comprensione della resistenza ai farmaci e dei meccanismi di formazione del biofilm, e attraverso ricerche future, potrebbe aiutare a individuare nuovi bersagli farmacologici e terapie combinate. Lo studio è pubblicato su Microbiologia della natura .

Il team ha sfruttato una forma "aploide" molto rara di C. albicans scoperta di recente che, come quelli di altri funghi, contiene solo un set di cromosomi con una copia di ciascun gene, ma possono essere accoppiati per creare facilmente la forma diploide. "Abbiamo usato ceppi aploidi di C. albicans e sostituito i geni che volevamo eliminare con un 'gene drive' che avevamo precedentemente sviluppato e adattato alla biologia specifica di C. albicans. Dopo l'accoppiamento, questi "elementi genetici egoisti" procedono a sostituire la normale copia del gene nei funghi diploidi, " disse Chiesa, dottorato di ricerca, che è professore di genetica alla Harvard Medical School e di Scienze e tecnologie della salute ad Harvard e al MIT. "L'approccio ha funzionato in modo così efficiente che ci ha permesso di eliminare anche coppie di geni diversi contemporaneamente con un rendimento più elevato e di esplorare se le loro funzioni sono correlate".

Il nuovo approccio di gene drive si basa sul sistema CRISPR-Cas9, in cui un enzima Cas9 che taglia il DNA è mirato a due regioni che fiancheggiano un gene nei funghi aploidi C. albicans da due cosiddetti RNA guida (gRNA). Dopo che la sequenza del gene target è stata tagliata, al suo posto viene inserita una cassetta genica ingegnerizzata che esprime tutti i componenti Cas9 e gRNA. Quando due funghi aploidi si accoppiano per formare una prole diploide, il gene drive sostituirà anche la controparte del gene nell'altro cromosoma, eliminando completamente la versione originale dall'organismo.

Applicando il loro approccio di delezione genica, il team è stato in grado di identificare combinazioni di geni che agiscono sinergicamente nello sfidare determinati farmaci, o nell'innescare la formazione di biofilm. "Per esempio, eliminando i due geni codificanti la pompa di efflusso CDR1 e CDR2, o TPO3 e CDR2 insieme, ha reso C. albicans altamente sensibile al fluconazolo e ad altri farmaci antimicotici, suggerendo che prendere di mira due meccanismi contemporaneamente potrebbe aiutare a superare la resistenza ai farmaci, "ha detto Rebecca Shapiro, dottorato di ricerca, un borsista post-dottorato nella squadra di Collins. Shapiro ha collaborato con Alejandro Chavez, dottorato di ricerca, come primi coautori della pubblicazione. Chavez è un ex borsista post-dottorato che ha lavorato con Church e Collins; ora è Assistant Professor alla Columbia University di New York. "Nei saggi di formazione del biofilm, abbiamo anche scoperto che la perdita del gene del fattore di adesione ALS3 si sinergizza con la perdita di molti altri geni del fattore di adesione, il che lo rende un hub altamente interconnesso di adesione del biofilm e un candidato interessante da esplorare ulteriormente".

Lo studio offre nuove incursioni nella comprensione del difficile territorio della patogenesi e della resistenza ai farmaci di C. albicans. "Ora possiamo capire meglio come sono organizzate le reti genetiche che sono alla base della virulenza di C. albicans, vedere come rispondono a specifiche perturbazioni ambientali e farmacologiche, e quindi scoprire nuove vulnerabilità, che in futuro potrebbe portare a nuovi bersagli farmacologici e terapie combinate, " disse Collins, dottorato di ricerca, che è anche il Termeer Professor of Medical Engineering &Science presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) e Professore di Biological Engineering presso il MIT. "Inoltre, la nostra piattaforma di array di gene drive può essere un modello per approcci simili in altri agenti patogeni fungini, come la neonata Candida auris, che è altamente resistente ai farmaci ed è già stato segnalato come una minaccia dai Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie".

"Questa collaborazione simbiotica tra i dirigenti di facoltà di due delle piattaforme tecnologiche abilitanti del Wyss Institute, Jim Collins e George Church, ha portato a importanti nuove intuizioni sulla biologia di questo patogeno fungino infettivo e su come sviluppa resistenza, oltre ad aprire una strada completamente nuova per la progettazione di terapie antimicotiche più efficaci, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso HMS e Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso SEAS.