La tecnología CRISPR/CAS es posiblemente uno de los mayores avances científicos del siglo XXI. Se trata de nada menos que una herramienta molecular que permite “editar” o “corregir” los genes de cualquier célula, incluyendo células humanas.
Para hacer una analogía, son como tijeras moleculares capaces de cortar cualquier molécula de ADN de una manera muy precisa y controlada. Como sabemos, el ADN (Ácido Desoxirribonucleico) es la molécula de la información, el plano donde se hallan codificadas las características estructurales de un organismo.
Esta capacidad de cortar el ADN de manera específica es lo que permite modificar su secuencia, eliminando o insertando un segmento nuevo con las características deseadas.
La edición de genes por la tecnología CRISPR/CAS ha causado una revolución científica al abrir la puerta a aplicaciones muy poco comparables en la historia científica reciente. La posibilidad de editar el genoma de cualquier célula u organismo, por ingeniería genética, promete cambiar los modelos biotecnológicos y catalogar a los actuales como desfasados.
CRISPR/CAS es una tecnología que permite “hackear” la información del genoma de cualquier organismo o célula. Los primeros trabajos experimentales, realizados en las mejores universidades del mundo, se han publicado en revistas de alto impacto como Science y Nature, demostrando resultados sumamente positivos y prometedores para el tratamiento de enfermedades genéticas, así como algunos tipos de cáncer.
Hay muchas razones para entusiasmarnos, principalmente si extrapolamos sus posibles alcances a todos los campos de la biotecnología. Es innegable la genialidad de visionar tal tecnología, que conjuga sencillez, bajos costos relativos, alta especificidad y, especialmente, amplia posibilidad de aplicaciones.
Catalogado por muchos como uno de los avance biotecnológicos más importantes del siglo, sin embargo, sus creadores recomiendan cautela, ya que la técnica aún se encuentra en proceso de ajuste. Aunque desde el anuncio de la tecnología han pasado solo 5 años, debe primar la cautela y, sobre todo la rigurosidad en los ensayos experimentales.
¿Qué es un sistema CRISPR/CAS?
CRISPR/CAS no es una herramienta puramente artificial, fue encontrada en investigaciones realizadas en bacterias. Es un verdadero sistema inmune adaptativo de organismos procariotas que les confiere resistencia al ataque de virus. Los procariotas son microorganismos principalmente unicelulares (formados por una sola célula) entre los que se incluyen, bacterias, eubacterias, nanobios y arqueas. Las arqueas son organismos unicelulares, pero con características diferentes a las bacterias, por lo que conforman dominios diferentes.
El sistema CRISPR/CAS es de crucial importancia para la supervivencia de las bacterias.
¿Pero qué significa CRISPR?, las siglas provienen de su acrónimo en inglés: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats o Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas.
Palíndromo significa que puede ser leído tanto de un lado como del otro, como es el caso de la palabra amor (Roma).
Los sistemas CRISPR/CAS están formados básicamente por las secuencias CRISPR, la proteína CAS y los ARN guías. Los ARN son moléculas llamadas ácidos nucleicos como el ADN pero tiene como característica el interpretar la codificación del ADN.
Las proteínas CAS en las bacterias son parte de los sistemas CRISPR/CAS y poseen la capacidad de buscar, cortar y degradar de manera específica el ADN viral.
Historia de CRISPR
La historia de CRISPR inició solo hace 30 años atrás con un artículo publicado en 1987 en el Journal of Bacteriology por el biólogo molecular Yoshizumi Ishino. Esta fue la primera referencia a las secuencias palindrómicas cortas regularmente espaciadas y fueron visualizadas en bacterias, específicamente en Escherichia coli, más conocida como E. coli.
El Dr. Francisco Mojica, microbiólogo español, de la Universidad de Alicante, encontró las mismas secuencias repetitivas estudiando mecanismos bacterianos en organismos totalmente distintos, en Streptococcus pyogene (Mojica et al 1993) e inició una serie de trabajos de investigación para conocer cuál era la función de estas secuencias, que resultaron ser más comunes y más útiles de lo que en ese momento se pensaba.
Para el año 2000, con la publicación de Biological significance of a family of regularly spaced repeats in the genomes of Archaea, Bacteria and mitocondria, el grupo del Dr. Mojica realizó una completa caracterización de estas secuencias en genomas de arqueas, bacterias y mitocondrias.
En ese momento las denominaron secuencias SRSR, pero al año de su publicación, el Dr. Mojica sugirió la modificación del nombre a CRISPR. De manera que aparece, como tal, por primera vez en la publicación en la que se describen a los genes asociados a las repeticiones, los genes CAS (Jansen, 2002).
En 2005, el grupo de Mojica publicó el artículo Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements, donde explican claramente que el origen de los espaciadores era de genoma viral (Mojica, 2005).
Los trabajos del grupo de la Dra. Jennifer Doudna y la Dra. Emanuelle Charpentier (Universidad de California y Universidad de Umea, respectivamente) acerca de la comprensión de la actividad de la proteína CAS, condujeron a aprovechar esta función biológica para transformarla en una tecnología de ingeniería genética. De esta manera, se podrían eliminar o insertar secuencias específicas de ADN con increíble precisión.
Esto llevó a la publicación de A programmable dual RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity en la revista Science en 2012.
Al año siguiente, el artículo Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system del Dr. Feng Zhang en la revista Nature dio a conocer su aplicación a sistemas eucariotas.
¿Cómo funcionan los Sistemas CRISPR/CAS en una bacteria?
Es un sistema inmunológico adaptativo y generalizado en la mayoría de las bacterias que se utiliza como un mecanismo de defensa viral. Funciona de la siguiente manera:
- Un virus infecta a una bacteria e inserta su material genético dentro de la célula.
- La bacteria reconoce el material genético extraño, en este caso del virus y transcribe una molécula de ARN de gran tamaño, formada por secuencias palindrómicas y espaciadores.
- Se forma un complejo con dicha molécula llamado crRNA que guiará a la proteína Cas (una endonucleasa) hasta el ADN/ARN del virus, produciendo su degradación. Pero la actividad de la proteína Cas no concluye ahí, ya que es capaz de extraer parte del genoma del invasor e ingresarlo en un conjunto de secuencias en el genoma bacteriano, conocidos como CRISPR (lo que sirve como memoria inmunológica para la bacteria)
- Con esa información la bacteria será capaz combatir de forma eficiente la próxima invasión de un virus similar. Por si fuera poco, también podrá heredar esa resistencia a su descendencia.
La pregunta que rondaba la mente de la doctora Doudna de la Universidad de California en Berkeley era la siguiente: ¿Qué pasaría si pudiéramos crear un sistema simplificado donde se pudiera programar a la proteína Cas con una sola hebra de ARN y segmentar cualquier secuencia de ADN de interés? De esa manera los científicos podrían usar la técnica para buscar blancos de manera sencilla y editar ADN de manera específica.
Tras un brillante trabajo, en 2012 fue publicado en la revista Science el artículo A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity de las doctoras Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna, donde demostraban cómo convertir esa maquinaria natural procariota en una herramienta de edición programable que serviría para cortar cualquier cadena de DNA in vitro.
Es decir, lograron “hackear” el sistema para que se dirigiera a una posición específica de un DNA de interés y cortarlo. Para ello utilizaron el sistema CRISPR más simple que se basa en una proteína llamada Cas9.
Posteriormente, en 2013 el investigador Feng Zhang del Instituto Broad del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), utilizó con éxito el sistema CRISPR-Cas9 para edición del genoma de células eucariotas (Zhang, F, 2013).
Perspectivas y desafíos para el futuro
Los grandes desafíos para la tecnología CRISPR/CAS se centrarán en dos vertientes subyacentes.
Por un lado, la discusión ética o bioética, a fin de demarcar lo que se puede o no realizar, y sobre todo los riesgos que podrían correrse con una tecnología que promete mucho, que es accesible y barata, pero cuyos efectos secundarios aún no conocemos. Por otro lado, las consecuencias legales en cuanto a propiedad intelectual que hoy en día ya generan verdaderas guerras entre bufetes de abogados y universidades.
Es probable que el gran potencial de CRISPR/CAS pueda materializarse, y ojalá así sea, pero la ciencia se construye paso a paso. Aquella técnica o procedimiento que pretende saltarse pasos fundamentales en su afianzamiento cae en el mismo precipicio en el que mueren las pseudociencias.
Aunque muchos nombran al sistema CRISPR/CAS como “el Santo Grial de la ingeniería genética”, no debemos perder de vista la objetividad y la racionalidad al interpretar las consecuencias y exigir el cumplimiento de todos los pasos de seguridad necesarios antes de volverse una técnica rutinaria.
En ese sentido no podemos desconocer el trabajo del Dr. Stephen Tsang, profesor del Instituto de Medicina Genómica en la Universidad de Columbia, quien alerta que el sistema CRISPR/CAS causa un importante número de mutaciones colaterales, incluyendo mutaciones en un único nucleótido y mutaciones en regiones no codificantes del genoma. Trabajo que, aunque muy criticado, es un llamado de atención para el correcto manejo de la tecnología.
La predicción de Doudna es que aún nos queda una década de espera para utilizar cotidianamente esta técnica como aplicación clínica.
Caso paraguayo
Aunque ya es de comentario cotidiano entre científicos y especialistas en biología molecular del país, aún no se presentaron proyectos que incorporen esta prometedora tecnología al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) u otros entes financistas de proyectos científicos.
Esperemos que, en un futuro cercano, grupos de investigación se vuelquen a trabajar utilizando esta prometedora tecnología que posee los ingredientes para países como el nuestro: accesible, sencilla, específica y barata.
De continuar con el éxito de los primeros trabajos de investigación experimentales, serán posibles tratar enfermedades genéticas, como la enfermedad de Huntington, la fibrosis quística, la distrofia muscular, enfermedades autoinmunes como el SIDA e incluso ciertos cánceres.
En un futuro no muy lejano, CRISPR nos ayudará a editar con éxito nuestro genoma, el de las plantas y animales, y por extensión nuestra propia realidad.
Referencias
- Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J.A., & Charpentier, E. (2012). A programmable dualRNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 337(6096), 816-821.
- Cong, L., Ran, F.A., Cox, D., Lin, S., Barretto, R., Habib, N., & Zhang, F. (2013). Multiplex genome engineering using CRISPR Cas systems. Science, 339(6121), 819- 823.
- The Heroes of CRISPR, Lander, Eric S., Cell , Volume 164 , Issue 1 , 18 – 28
- G. Schwank. (2013). Functional repair of CFTR by CRISPR Cas9 in intestinal stem cell organoids of cystic fibrosis patients. Cell Stem Cell,13:653–58.
- Y. Wu. (2013). Correction of a genetic disease in mouse via use of CRISPR-Cas9. Cell Stem Cell, 13:659–62.
- Pandika, M. (January 7, 2014) Jennifer Doudna, CRISPR Code Killer. Ozy.com
- Ran, F. A., Hsu, P. D., Wright, J., Agarwala, V., Scott, D. A., & Zhang, F. (2013). Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system. Nature Protocols, 8(11), 2281–2308.
- Schaefer KA, et al. (30 Mayo 2017). Unexpected mutations after CRISPR-Cas9 editing in vivo. Nat Methods. 14(6):547-548.
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Columnista de Ciencia del Sur. Bioquímico por la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Asunción, UNA. Del 2004 hasta la fecha trabaja en el desarrollo y gestión de la investigación, innovación y transferencia tecnológica en la Universidad Nacional de Asunción. Recibió una mención de honor como divulgador por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología en 2017. Es el vicedirector de Ciencia del Sur.
Ariel:
Con mucha razón decis que hay que tener cuidado con esta tecnología. Hace un tiempo que le vengo siguiendo el hilo y lo último que leí fue el trabajo del Dr. Steven Tsang, cuyo resumen se puede leer en Español en Agencia SINC y cuya introducción dice:
“La herramienta de edición del ADN, que permite suprimir o reparar genes defectuosos, podría introducir cientos de mutaciones involuntarias en el genoma. Así lo revela un nuevo estudio, publicado en Nature Methods, que aconseja revisar por completo el conjunto de genes de los individuos para no pasar por alto cientos de alteraciones potencialmente importantes.”
Tambien el artículo de divulgación de La Mula Francis hace referencia a lo mismo:
“A finales de 2016, gracias a la edición genética CRISPR-Cas9, se logró restaurar la visión a ratones nacidos ciegos. Nature Methods publica un jarro de agua fría a esta terapia génica. Dos ratones tratados por esta técnica muestran múltiples efectos colaterales: más de 1500 mutaciones de un solo nucleótido, y más de 100 indels (lugares con trozos de ADN insertados o borrados). Todas estas mutaciones fortuitas están muy lejos del gen que fue tratado (llamado Pde6b), incluso en otros cromosomas, y no se observan en un ratón de control.”
http://francis.naukas.com/2017/06/02/el-miedo-al-posible-efecto-colateral-de-la-edicion-crisprcas9-in-vivo/?utm_source=feedburner&utm_medium=email&utm_campaign=Feed%3A+naukas%2Ffrancis+%28La+Ciencia+de+la+Mula+Francis%29
http://www.agenciasinc.es/Noticias/La-tecnica-CRISPR-es-capaz-de-crear-cientos-de-mutaciones-fortuitas
Buenas noches Félix, el artículo intenta ser lo más neutral posible, por lo cual se describen los orígenes del sistema, la evolución de su conocimiento, el paso de la investigación básica a la investigación aplicada y al desarrollo tecnológico; las enormes ventajas de una tecnología sencilla, barata y específica. Por supuesto, mencionamos los puntos de incertidumbre, por lo cual se menciona y referencia el artículo de Tsang. Se recalcan las palabras de la Dra. Doudna, referente a ser rigurosos con a las pruebas clínicas y que el proceso de ajuste todavía tomará tiempo. Considero que, así como se menciona en el artículo debemos ser cautos, pero más que nada, debemos concentrarnos en el enorme avance que representa esta tecnología y los grandes logros, inéditos para la ciencia que podrán lograrse de ajustarse totalmente, en un futuro próximo!. En el universo científico, la curiosidad y las ansias de progreso, siempre vencieron al temor a lo desconocido. y aunque en principio la luz eléctrica generó miedo, la sociedad supo adecuarse a su funcionamiento y pudo convivir con ella. Ante cualquier duda, estamos a las órdenes. Saludos cordiales
Gracias por el comentario Ariel, yo «descubrí» todo esto buscando informacion sobre terapias genéticas, me llamó mucho la atención este video del Dr. Mojica (es del 2016):
https://www.youtube.com/watch?v=GOK6FkfmHdQ
Ojala sigan los avances y en algún momento se pueda aplicar en humanos.
Así es Félix, considero que se está tomando el camino correcto, sobre la base de lecciones aprendidas, en especial, respecto a cuestiones de bioética que son críticas, teniendo en cuenta que es una tecnología amplia y de un enorme alcance. Respecto al Dr. Mojica, es una referencia en el tema y se halla entre los llamados «Héroes de CRISPR». Ojalá y, en un futuro próximo podamos traerlo en calidad de disertante.
Saludos cordiales
Ariel Insaurralde Alviso