Candida albicans is een beruchte menselijke schimmelpathogeen die spruw en ernstige systemische infecties veroorzaakt. Opportunistische C. albicans-schimmels, die vaak onopvallend leven in de normale flora van de menselijke huid en darmen, kunnen overschakelen van hun onschadelijke stealth-modus om agressieve ziekteverwekkers te worden, vooral bij mensen van wie het immuunsysteem al is aangetast door reeds bestaande ziekten of agressieve medicamenteuze therapieën. Ze kunnen ook biofilms vormen op medische hulpmiddelen, zoals katheters en stents in het menselijk lichaam, leidend tot infecties en soms tot de dood. De dreiging van zowel vrije als biofilmgebonden vormen van de ziekteverwekker neemt voortdurend toe, aangezien virulente C. albicans-stammen steeds meer resistent worden tegen de weinige geneesmiddelen die beschikbaar zijn om ze te behandelen.

Microbiologen worden geconfronteerd met enorme moeilijkheden in hun zoektocht om de resistentie tegen geneesmiddelen van C. albicans en de vorming van biofilms te bestrijden. Elke C. albicans-microbe is een "diploïde" organisme, omdat het gewoonlijk twee kopieën bevat van het volledige genoom en van alle genen die erin worden gecodeerd. Echter, om de rol te begrijpen die een specifiek gen speelt, onderzoekers moeten beide kopieën tegelijk kunnen verwijderen, waardoor ze de effecten van de totale afwezigheid van het gen kunnen observeren, wat een moeilijke uitdaging was in C. albicans. In aanvulling, genen spelen vaak zeer vergelijkbare en soms overbodige rollen in veel processen, waaronder medicijnresistentie en biofilmvorming, wat betekent dat er meer dan één gen moet worden verwijderd om die genen te identificeren waarvan de functies zijn gekoppeld.

Om de gendeletie-uitdaging in C. albicans te benaderen, een samenwerkend team onder leiding van James Collinsand George Church, twee kernfaculteitsleden van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard, hebben een op CRISPR-Cas9 gebaseerd "gene drive"-platform ontwikkeld om diploïde stammen van de ziekteverwekker te creëren waarin beide genkopieën efficiënt kunnen worden verwijderd. De techniek kan de weg wijzen naar een beter begrip van resistentie tegen geneesmiddelen en biofilmvormende mechanismen, en door toekomstig onderzoek, het zou kunnen helpen bij het lokaliseren van nieuwe medicijndoelen en combinatietherapieën. De studie is gepubliceerd in Natuur Microbiologie .

Het team maakte gebruik van een recent ontdekte zeer zeldzame "haploïde" vorm van C. albicans die, zoals die van andere schimmels, bevat slechts één set chromosomen met één kopie van elk gen, maar ze kunnen worden gedekt om gemakkelijk de diploïde vorm te creëren. "We gebruikten haploïde C. albicans-stammen en vervingen genen die we wilden elimineren met een 'gene drive' die we eerder hadden ontwikkeld en aangepast aan de specifieke biologie van C. albicans. Na de paring, deze 'egoïstische genetische elementen' gaan de normale kopie van het gen in de diploïde schimmels vervangen, " zei de kerk, doctoraat, die hoogleraar genetica is aan de Harvard Medical School en gezondheidswetenschappen en technologie aan Harvard en MIT. "De aanpak werkte zo efficiënt dat het ons in staat stelde om zelfs paren van verschillende genen tegelijk te verwijderen met een hogere doorvoer en om te onderzoeken of hun functies gerelateerd zijn."

De nieuwe gene drive-aanpak is gebaseerd op het CRISPR-Cas9-systeem, waarbij een DNA-knippend Cas9-enzym wordt gericht op twee regio's die een gen in haploïde C. albicans-schimmels flankeren door twee zogenaamde gids-RNA's (gRNA's). Nadat de beoogde gensequentie is uitgesneden, een gemanipuleerde gene drive-cassette die alle Cas9- en gRNA-componenten tot expressie brengt, wordt op zijn plaats ingevoegd. Wanneer twee haploïde schimmels worden gepaard om diploïde nakomelingen te vormen, de gene drive zal ook de tegenhanger van het gen in het andere chromosoom vervangen, effectief de originele versie volledig uit het organisme verwijderen.

Door hun gendeletie-aanpak toe te passen, het team was in staat om combinaties van genen te identificeren die synergetisch werken bij het trotseren van bepaalde medicijnen, of bij het veroorzaken van biofilmvorming. "Bijvoorbeeld, het verwijderen van ofwel de twee effluxpomp-coderende genen CDR1 en CDR2, of TPO3 en CDR2 samen, maakte C. albicans zeer gevoelig voor fluconazol en andere antischimmelmiddelen, wat suggereert dat het tegelijkertijd richten op twee mechanismen zou kunnen helpen bij het overwinnen van resistentie tegen geneesmiddelen, " zei Rebecca Shapiro, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker in het team van Collins. Shapiro werkte samen met Alejandro Chavez, doctoraat, als eerste co-auteurs van de publicatie. Chavez is een voormalig postdoctoraal onderzoeker die samenwerkte met Church en Collins; hij is nu een assistent-professor aan de Columbia University in New York. "Bij biofilmvormingstesten, we ontdekten ook dat het verlies van het ALS3-adhesiefactorgen synergetisch is met het verlies van verschillende andere adhesiefactorgenen, wat het een sterk onderling verbonden knooppunt van biofilmadhesie maakt en een interessante kandidaat om verder te verkennen."

De studie biedt nieuwe inzichten in het moeilijke gebied van pathogenese van C. albicans en resistentie tegen geneesmiddelen. "We kunnen nu veel beter grip krijgen op hoe genetische netwerken die ten grondslag liggen aan de virulentie van C. albicans zijn georganiseerd, zien hoe ze reageren op specifieke verstoringen van het milieu en drugs, en zo nieuwe kwetsbaarheden bloot te leggen, die in de toekomst kunnen leiden tot nieuwe doelwitten voor geneesmiddelen en combinatietherapieën, " zei Collins, doctoraat, die ook de Termeer Professor of Medical Engineering &Science is aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en een Professor of Biological Engineering aan het MIT. "Bovendien, ons gene drive array-platform kan een blauwdruk zijn voor vergelijkbare benaderingen bij andere schimmelpathogenen, zoals de nieuw opkomende Candida auris, die zeer resistent is tegen geneesmiddelen en al is aangemerkt als een bedreiging door de Centers for Disease Control and Prevention."

"Deze symbiotische samenwerking tussen faculteitsleiders van twee van de Enabling Technology Platforms van het Wyss Institute, Jim Collins en George Church, leidde tot belangrijke nieuwe inzichten in de biologie van deze besmettelijke schimmelpathogeen en hoe het resistentie ontwikkelt, naast het openen van een geheel nieuw pad voor het ontwerpen van effectievere antischimmeltherapieën, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan SEAS.