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14 febrero 2024

CRISPR, la revolución genética del siglo XXI

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¿Quién habría imaginado que la nueva revolución genética del siglo XXI nacería en una charca destinada a cosechar sal del agua marina? En las salinas de Santa Pola (España), el estudio de un microbio condujo a obtener el sistema CRISPR/Cas9, la mejor herramienta existente hoy para cortar y pegar fragmentos de ADN y la gran promesa de la terapia génica para este siglo.

Nada de esto estaba en la mente del microbiólogo de la Universidad de Alicante Francisco Martínez Mojica cuando, en 1990, estudiaba por qué la concentración de sal afectaba a la manera en que una arquea (organismos unicelulares simples distintos de las bacterias) de aquellas salinas, la llamada Haloferax mediterranei, respondía de distinta manera a las enzimas de restricción, que cortan el ADN por secuencias específicas y que son herramientas habituales en todo laboratorio de biología molecular.

En 2002, Francisco Martínez Mojica sugería un nombre para estos misteriosos pedazos de ADN repetido: CRISPR. Crédito: THOM LEACH / SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images.
En 2002, Francisco Martínez Mojica sugería un nombre para estos misteriosos pedazos de ADN repetido: CRISPR. Crédito: THOM LEACH / SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images.

Al buscar respuestas en el genoma de esta y otras arqueas, Mojica observó unas secuencias de ADN que se repetían, separadas por espaciadores heterogéneos. La intriga sobre estas secuencias aumentó cuando Mojica descubrió otras similares en una veintena de microbios diferentes, a lo que se unían otros casos encontrados por diferentes investigadores. En 2002, Mojica sugería un nombre para estos misteriosos pedazos de ADN repetido: CRISPR, o Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Espaciadas. Los genes cercanos a estas secuencias, a los que se les suponía alguna relación con ellas, se denominaron genes asociados a CRISPR, o Cas. El sistema CRISPR/Cas ya tenía un nombre, pero su función aún era un misterio.

Fue entonces cuando Mojica tuvo la intuición genial que le llevaría a resolver aquel enigma. En lugar de centrarse en lo que todas aquellas secuencias tenían en común, las repeticiones, decidió fijarse en lo que las diferenciaba, los espaciadores. Al estudiar uno de ellos en la bacteria Escherichia coli, descubrió que era idéntico a un segmento del genoma de un virus llamado fago P1 que infecta a esta bacteria. O que debería infectarla, ya que precisamente aquella E. coli era inmune al P1.

Secuencias de ADN infectivas

Tirando de este hilo, el investigador comprobó los espaciadores de otros miles de CRISPR en distintos microbios, observando que en todos los casos se correspondían con secuencias de ADN infectivas, pero que siempre aparecían en bacterias inmunes a esas infecciones. Así, Mojica propuso una hipótesis plausible, pero arriesgada: las CRISPR representaban un sistema inmunitario adaptativo de las bacterias que recogía pedazos de ADN de sus atacantes para reconocerlos en el futuro y eliminarlos.

Tan atrevida era la idea que el estudio de Mojica fue rechazado sin revisión por la revista Nature, y después por otras, hasta que en 2005, después de un largo proceso de correcciones, se publicó en el Journal of Molecular Evolution. Poco después, el francés Gilles Vergnaud y sus colaboradores proponían una hipótesis similar. Pero el sistema inmune de las bacterias aún era una preocupación exclusiva de los microbiólogos y el CRISPR/Cas aún estaba lejos de lanzar la revolución de la edición genómica.

BBVA-OpenMind-Yanes-CRISPR la revolucion genetica del siglo XXI_2 CRISPR/Cas9 no fue la primera herramienta de corta-pega genético disponible, pero aportó la facilidad con la que se puede programar el sistema para dirigirlo a la diana donde se pretende que actúe, señala Mojica. Crédito: Westend61 / Andrew Brookes/Getty Images.
CRISPR/Cas9 aportó la facilidad con la que se puede programar el sistema para dirigirlo a la diana donde se pretende que actúe, según Mojica. Crédito: Westend61 / Andrew Brookes/Getty Images.

El salto llegó cuando empezó a conocerse cómo las bacterias emplean el sistema CRISPR/Cas para librarse de los virus. Los genes Cas fabrican enzimas que cortan el ADN, mientras que los espaciadores de CRISPR producen moléculas de ARN capaces de reconocer sus secuencias gemelas en el genoma viral. Los ARN y las enzimas Cas viajan juntos, de modo que los primeros actúan como guía para indicar a las segundas dónde deben cortar para inutilizar el virus.

Comprendiendo que aquellas tijeras moleculares podían modificarse para cortar cualquier secuencia de ADN, la estadounidense Jennifer Doudna y la francesa Emmanuelle Charpentier simplificaron y rediseñaron el sistema CRISPR de la bacteria Streptococcus pyogenes para construir la herramienta CRISPR/Cas9, que posteriormente fue optimizada y probada en células humanas por los investigadores Feng Zhang y George Church. El sistema se completa con un fragmento de ADN que actúa como molde para reparar los extremos rotos y que permite insertar la secuencia deseada, por ejemplo la versión correcta para restaurar un gen. La propia maquinaria celular de reparación se encarga del pegado final. En 2020 Doudna y Charpentier recibieron el Nobel de Química, una distinción que por las limitaciones del reglamento de estos galardones dejó fuera a Mojica y otros pioneros. 

Un sistema con grandes ventajas y algunas limitaciones

CRISPR/Cas9 no fue la primera herramienta de corta-pega genético disponible, pero ha aportado grandes ventajas respecto a otros sistemas: “Fundamentalmente, la facilidad con la que se puede programar el sistema para dirigirlo a la diana donde se pretende que actúe”, resumía Mojica a OpenMind. “En el caso de las otras herramientas hay que introducir múltiples modificaciones en la secuencia de proteínas, un trabajo arduo y caro, mientras que en el caso de CRISPR solo hay que sintetizar una pequeña molécula de ARN guía, barata y fácil de diseñar, y mientras que la proteína Cas9 se utiliza tal cual”. Además, añade el investigador, CRISPR/Cas9 permite actuar sobre múltiples genes a la vez.

BBVA-OpenMind-Yanes-CRISPR la revolucion genetica del siglo XXI_3 La estadounidense Jennifer Doudna y la francesa Emmanuelle Charpentier simplificaron y rediseñaron el sistema CRISPR de la bacteria Streptococcus pyogenes para construir la herramienta CRISPR/Cas9, que posteriormente fue optimizada y probada en células humanas. Crédito: Nick Otto For The Washington Post via Getty Images.
La estadounidense Jennifer Doudna y la francesa Emmanuelle Charpentier rediseñaron el sistema CRISPR de la bacteria Streptococcus pyogenes para construir la herramienta CRISPR/Cas9. Crédito: Nick Otto For The Washington Post via Getty Images.

Con los años han ido añadiéndose nuevas modificaciones y versiones al sistema original gracias a la introducción de diferentes Cas, hasta el punto de que hoy existen dos clases divididas en un total de seis tipos, que a su vez se subdividen en 33 subtipos. Las dos clases se diferencian en si Cas es un complejo de proteínas o una sola, y los distintos tipos se dirigen a ADN, ARN o ambos. En 2019 se creó una variante que incorpora diversas técnicas llamada prime editing, que busca y cambia secuencias de forma precisa. Todos estos avances han propiciado que CRISPR salga de los laboratorios de investigación, donde ha sido una herramienta de inmensa utilidad desde su creación, para aplicarse a las utilidades prácticas que se le vaticinaban.

Entre ellas se cuenta la creación de cultivos genéticamente modificados como tecnología alternativa a los transgénicos, ya que en este caso es posible editar directamente los genes ya existentes sin necesidad de introducir transgenes (genes de otra especie o genes marcadores), a no ser que se desee hacerlo. Dada la impopularidad de los transgénicos y las trabas legales para su mayor expansión, CRISPR debería facilitar la adopción de estos cultivos mejorados, ya que no son transgénicos. Sin embargo, la regulación al respecto todavía no es definitiva ni unánime; por ejemplo, la Unión Europea aún aplica a los cultivos CRISPR la misma consideración que a los transgénicos. Si esto cambiará en el futuro, aún es imprevisible.

Las aplicaciones de CRISPR se extienden también a la terapia génica. En teoría, será posible corregir genes defectuosos causantes de enfermedades congénitas, pero también potenciar funciones del sistema inmune para combatir cánceres, inutilizar variantes genéticas de riesgo de ciertas enfermedades, modificar células para restaurar funciones perdidas —por ejemplo, en la diabetes— o producir órganos adecuados para xenotrasplantes (de otras especies) evitando el rechazo.

BBVA-OpenMind-Yanes-CRISPR la revolucion genetica del siglo XXI_4 Las aplicaciones de CRISPR se pueden extender desde los cultivos transgénicos a la terapia génica. En teoría, podrían corregir genes defectuosos causantes de enfermedades congénitas, combatir cánceres y hasta producir órganos para xenotrasplantes. Crédito: Getty Images.
Las aplicaciones de CRISPR, en teoría, podrían corregir genes defectuosos causantes de enfermedades congénitas, combatir cánceres y hasta producir órganos para xenotrasplantes. Crédito: Getty Images.

Según los casos, la terapia génica puede aplicarse directamente in vivo, en el organismo del paciente, o ex vivo, en células extraídas de su organismo para ser devueltas después al mismo. En 2023 se aprobó en Europa y EEUU el primer medicamento que emplea CRISPR para el tratamiento ex vivo de dos enfermedades de la sangre, anemia falciforme y beta talasemia, y actualmente hay numerosos ensayos clínicos en marcha para otras aplicaciones, incluyendo el uso de CRISPR in vivo

Sin duda, en los próximos años veremos una explosión de utilidades prácticas de CRISPR, pero también crecerá el debate sobre sus límites. En 2018 el científico chino He Jiankui anunció el nacimiento de dos bebés editados genéticamente para conferirles resistencia al virus del sida. Además de que otros expertos cuestionaron la validez del procedimiento para su objetivo, el experimento fue ampliamente condenado por la comunidad científica, y He cumplió pena de cárcel en su país. Además de las objeciones éticas que pueden plantear algunos de los posibles usos de CRISPR, deberá perfeccionarse la tecnología para garantizar que actúe como y donde debe, sin fallar por exceso o por defecto. Toda revolución es un trabajo en progreso.

Javier Yanes

Crédito imagen principal: Gregor Fischer/picture alliance via Getty Images.

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