Entendiendo el CRISPR

crispr

Mientras escribo este texto en el ordenador las herramientas de cortar y pegar del Word me permiten eliminar y corregir los errores. ¿Imaginas disponer de un sistema que permita hacer lo mismo con el ADN? Aunque pueda parecer un sueño este sistema ya existe: el CRISPR. No es la primera herramienta de edición genética con que cuentan los laboratorios (ya cuando yo estudiaba en la facultad teníamos las enzimas de restricción para cortar el ADN), pero sí es la primera que actúa sobre el genoma con una precisión tal que permite cortar y eliminar un error de tan solo una letra en la cadena de ACGT del ADN. Esta precisión nos permite llegar a donde nunca se había llegado hasta ahora. Y en cualquier gen, de cualquier especie. Las aplicaciones incluyen curar enfermedades, mejorar cosechas, modificar animales de granja. Y también modificar óvulos, espermatozoides y embriones humanos para prevenir enfermedades o alterar cualquier otra característica.

Así, hace apenas unas semanas ha salido a la luz la supuesta noticia del nacimiento de unas gemelas modificadas genéticamente con CRISPR para hacerlas resistentes al virus del sida. Noticia que ha despertado muchas críticas en la comunidad científica, por la imprudencia de realizar un experimento en humanos cuando los riesgo aún no se conocen. Pero empecemos por el principio, ¿cómo se ha inventado CRISPR?

En realidad, esta potente herramienta es un invento de las bacterias o, más concretamente, de los procariotas. Se trata de una especie de sistema inmunitario que desarrollaron a lo largo de la evolución para defenderse de los virus. Así fue su descubrimiento…

Los orígenes: los extremófilos de las salinas de Santa Pola

En la década de los 90, en el Parque de Las Salinas de Santa Pola, Alicante, un joven investigador  tomaba muestras de las aguas hipersalinas para estudiar los organismos que crecen en estas características inhóspitas. Porque las aguas con tanta sal no son agradables ni siquiera toleradas por la mayoría de los seres vivos. Pero en este ambiente se sienten a sus anchas los microorganismos denominados halófilos. Cómo consiguen sobrevivir en estas condiciones era lo que intentaba comprender el microbiólogo Francisco J.M. Mojica, que desarrollaba su tesis doctoral centrada en el extravagante microorganismo Haloferax mediterranei.

Se trataba de descubrir qué genes le conferían esta capacidad de adaptación a los medios hipersalinos. Al secuenciar y examinar su genoma Mojica y su grupo encontraron unas secuencias que les llamaron la atención: unas repeticiones palindrómicas  que se repetían a unas distancias regulares las unas de las otras. Investigando en trabajos previos descubrieron que unas secuencias similares habían sido descritas por un grupo de investigación dirigido por Nakata, de la Universidad de Osaka, en la bacteria Escherichia coli. Las funciones que tenían estas secuencias eran desconocidas. El grupo japonés no había investigado más. Pero a Mojica le llamó la atención el hecho de que estuvieran presentes en organismos muy diferentes entre sí y muy alejados evolutivamente: intuía que tenía entre manos algo importante, ¿por qué razón sino la evolución las había conservado? Así que se volcó en ellas.

El momento eureka

La comunidad científica no tenía la misma confianza. Lo cierto es que durante casi una década Mojica fue el único interesado. Encontró muchos más bacterias que poseían las mismas repeticiones, lo que le indicaba que tenía algo importante, pero seguía sin saber el qué. Entonces llegó el verano del 2003 y, al frescor del aire acondicionado de su despacho de la Universidad de Alicante, decidió examinar no las repeticiones sino los fragmentos de ADN que se intercalaban entre las mismas, que eran igual de desconocidos. Se le ocurrió que quizás si averiguaba su origen podría conocer su función. Así que introdujo las secuencias de los espaciadores de E. coli en las bases de datos de ADN y… lo que encontró fue sorprendente: esas secuencias coincidían con fragmentos de ADN de virus… de virus que infectan a E. coli.

Hizo lo mismo con todos los espaciadores que tenían y comprobó que para cada una de las bacterias sus espaciadores eran idénticos a los virus que las infectan. Entonces comprendió por qué estaban allí: era la manera como las bacterias se vacunaban contra los virus. Cuando un virus atacaba una bacteria, ésta recogía la información y la guardaba en su propio ADN para que, cuando el virus volviera a atacar, pudiera reconocerlo rápidamente y destruirlo. Era el descubrimiento de que las bacterias tienen un sistema de inmunidad adquirida y además heredable, porque la pueden transmitir a sus descendientes.

1453479692_403180_1453483943_noticia_normal

El descubrimiento de este sistema, designado ya como CRISPR (por las siglas en inglés de Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Espaciadas) constituye un ejemplo de descubrimiento sin hipótesis previa, basado en el big data (análisis de los grandes datos), posible sólo en esta era de la información. Pero es también  un ejemplo de tesón y perseverancia de su descubridor, y de éxito de la ciencia básica.

Mojica escribió un artículo donde presentaba el hallazgo, explicaba cómo funcionaba (supuestamente, porque no todo estaba comprobado experimentalmente) y hablaba de las enormes aplicaciones que tendría en campos como la agricultura o la salud, porque vislumbraba su potencial en la prevención y tratamiento de las enfermedades infecciosas. Pero se topó con el rechazo de las revistas científicas de prestigio, que rechazaban el artículo una y otra vez, porque era tan revolucionario que decían que necesitaba un apoyo experimental mayor. Fueron meses de nervios y tensión, porque en cualquier momento otro grupo podía adelantarse. Mojica suprimió los párrafos donde se aventuraban las posible aplicaciones y al final quedó tan sólo un trabajo sobre la inmunidad de las bacterias, que se publicó en Journal of  Molecular Evolution después de 18 largos meses.

A raíz del artículo, los sistemas CRISPR despertaron un enorme interés entre los científicos y se desencadenó una verdadera carrera internacional para entender su funcionamiento. Y pronto se comprobaron las conclusiones que había aventurado Mojica.

Cómo funciona CRISPR en las bacterias

El funcionamiento podemos resumirlo así: cuando un virus infecta por primera vez una bacteria, corta el ADN vírico y lo inserta en su propio el genoma (los fragmentos de ADN foráneos se van acumulando en las regiones CRISPR). Cuando el virus ataca por segunda vez,  la bacteria utiliza una molécula de ARN, de secuencia complementaria a la del propio virus, que guarda en su genoma, para guiar a una proteína que cortará el ADN, una nucleasa denominada Cas9, en el punto exacto donde las secuencias son complementarias. El sistema es extremadamente preciso porque la secuencia de la guía debe ser idéntica a la diana para que Cas9 pueda cortar. Es un sistema de inmunidad adaptativa que puede transmitir también a su descendencia.

Un procesador de textos para el ADN

Y aunque el hallazgo es un verdadero hito en la biología, fue en  2012 cuando llegó la bomba: la bioquímica francesa Emmanuelle Charpentier  y la química estadounidense Jennifer Doudna publicaron conjuntamente un estudio en el que demostraban que el sistema CRISPR podía transferirse a otras células, de plantas, de animales, y también humanas, y que funcionaba. Y, por si fuera poco, demostraron como programar CRISPR para dirigirlo a cualquier punto de una cadena de ADN: basta con administrar la proteína Cas9 y el ARN guía adecuado, complementario a la secuencia que quiera cortarse. Tan simple como eso. Cas9 cortará en la diana y luego la maquinaria de reparación del ADN de la célula reparará el corte. Así, se pueden eliminar genes o sustituir unos por otros, con gran precisión.

De esta manera, CRISPR pasó de ser un sistema de defensa de las bacterias a convertirse en una herramienta universal para editar el genoma de cualquier célula. Y aunque los laboratorios conocían y utilizaban ya otros procesadores de textos, ninguno de los que existen es tan rápido y de tanta precisión como CRISPR.

La revolución de CRISPR

Con CRISPR tenemos una herramienta que nos permite cambiar la secuencia de ADN de cualquier gen, de cualquier genoma, de cualquier especie. Las aplicaciones son tantas que promete revolucionar campos como la agricultura, ganadería y por supuesto la salud. CRISPR ofrece la posibilidad de curar enfermedades genéticas hasta ahora intratables. Y no sólo genéticas. Los avances son espectaculares: en el presente año se ha logrado eliminar el virus del VIH de ratones vivos o disminuir la susceptibilidad de los mosquitos a ser infectados por la malaria, y estamos más cerca de crear órganos procedentes de animales compatibles para ser trasplantados en humanos. Pero hay que ser prudentes antes de aplicarlas a pacientes.

121215_CRISPR_opener

Lo que hacen muy bien las herramientas CRISPR es cortar el ADN en puntos concretos con gran precisión. Pero estas roturas, en el genoma, deben ser reparadas de inmediato si la célula quiere sobrevivir. Y es ahí donde está el problema: porque nuestros sistemas de reparación del ADN no tiene la precisión requerida ni tienen memoria. Así que cuando reparan pueden equivocarse y pueden borrar o añadir nucleótidos de más, o pueden introducir nucleótidos erróneos… Es decir, que en el proceso de reparación pueden originarse mutaciones.

Es por eso que las técnicas CRISPR requieren una puesta a punto antes de llevarse a la clínica y tratar pacientes. De momento, en humanos, han sido aplicadas únicamente ex vivo, extrayendo las células del paciente, editándolas en el laboratorio y retornándoselas. Pero esta estrategia sólo es válida para unas pocas enfermedades, como las de la sangre. Para el resto enfermedades habrá que esperar. CRISPR es una herramienta poderosa y prometedora que nos permitirá hacer lo que hasta ahora no habíamos siquiera imaginado. Sólo hay que ser prudentes.

Para saber más:

El descubrimiento del sistema CRISPR-Cas. Francisco J.M. Mojica y Cristóbal Almendros. Investigación y ciencia. Octubre 2017. Págs. 20-28.

Intervening Sequences of Regularly Spaced Prokaryotic Repeats Derive from Foreign Genetic Elements. Mojica, F.J., Díez-Villaseñor, C., García-Martínez, J. et al. Journal Molecular of Evolution (2005) 60: 174.

The heroes of CRISPR. Eric S.Lander en Cell (2016) 164: 18-28.

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión /  Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión /  Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión /  Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión /  Cambiar )

Conectando a %s