¿Puede la tecnología CRISPR alimentar al mundo?

La tecnología CRISPR es una simple pero poderosa herramienta para editar genomas. Permite a los investigadores alterar fácilmente las secuencias de ADN y modificar la función de los genes. Sus muchas aplicaciones potenciales incluyen la corrección de defectos genéticos, el tratamiento y la prevención de la propagación de enfermedades y la mejora de los cultivos. Sin embargo, su promesa también plantea problemas éticos.

En el uso popular, «CRISPR» (se pronuncia «crisper») es la abreviatura de «CRISPR-Cas9». Los CRISPR son estiramientos especializados del ADN. La proteína Cas9 (o «CRISPR-asociada») es una enzima que actúa como un par de tijeras moleculares, capaz de cortar cadenas de ADN.

La tecnología CRISPR fue adaptada a partir de los mecanismos naturales de defensa de las bacterias y archaea (el dominio de los microorganismos unicelulares). Estos organismos utilizan el ARN derivado de CRISPR y varias proteínas Cas, incluyendo la Cas9, para frustrar los ataques de virus y otros cuerpos extraños. Lo hacen principalmente cortando y destruyendo el ADN de un invasor extraño. Cuando estos componentes se transfieren a otros organismos más complejos, permite la manipulación de los genes, o «edición».
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Hasta 2017, nadie sabía realmente cómo era este proceso. En un artículo publicado el 10 de noviembre de 2017, en la revista Nature Communications, un equipo de investigadores dirigido por Mikihiro Shibata de la Universidad de Kanazawa e Hiroshi Nishimasu de la Universidad de Tokio mostraron cómo se ve cuando un CRISPR entra en acción por primera vez. [Un nuevo GIF impresionante muestra al CRISPR masticando el ADN]

CRISPR-Cas9: Los jugadores clave

CRISPRs: «CRISPR» significa «grupos de repeticiones palindrómicas cortas regularmente espaciadas». Es una región especializada del ADN con dos características distintas: la presencia de repeticiones de nucleótidos y espaciadores. Las secuencias repetidas de nucleótidos – los bloques de construcción del ADN – se distribuyen a lo largo de una región CRISPR. Los espaciadores son trozos de ADN que se intercalan entre estas secuencias repetidas.

En el caso de las bacterias, los espaciadores se toman de los virus que previamente atacaron al organismo. Sirven como un banco de memoria, que permite a las bacterias reconocer los virus y luchar contra futuros ataques.

Esto fue demostrado experimentalmente por primera vez por Rodolphe Barrangou y un equipo de investigadores de Danisco, una empresa de ingredientes alimentarios. En un artículo publicado en 2007 en la revista Science, los investigadores utilizaron como modelo la bacteria Streptococcus thermophilus, que se encuentra comúnmente en el yogur y otros cultivos lácteos. Observaron que después de un ataque de virus, se incorporaron nuevos espaciadores en la región del CRISPR. Además, la secuencia de ADN de estos espaciadores era idéntica a partes del genoma del virus. También manipularon los espaciadores quitándolos o poniendo nuevas secuencias de ADN viral. De esta manera, fueron capaces de alterar la resistencia de la bacteria a un ataque de un virus específico. Así, los investigadores confirmaron que los CRISPRs juegan un papel en la regulación de la inmunidad bacteriana.

ARN CRISPR (ARNcR): Una vez que se incorpora un espaciador y el virus ataca de nuevo, una porción del CRISPR se transcribe y se procesa en ARN CRISPR, o «ARNicr». La secuencia de nucleótidos del CRISPR actúa como una plantilla para producir una secuencia complementaria de ARN de una sola cadena. Cada ARNc consiste en una repetición de nucleótidos y una porción de espaciador, según una revisión de 2014 de Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier, publicada en la revista Science.

Cas9: La proteína Cas9 es una enzima que corta el ADN extraño.

La proteína se une típicamente a dos moléculas de ARN: ARNc y otra llamada tracrRNA (o «ARNc cruzado»). Las dos guían a la Cas9 al lugar donde hará su corte. Esta extensión de ADN es complementaria a un tramo de 20 nucleótidos del ARNc.

Usando dos regiones separadas, o «dominios» en su estructura, Cas9 corta ambas hebras de la doble hélice del ADN, haciendo lo que se conoce como «ruptura de doble hebra», según el artículo de 2014 de Science.

Hay un mecanismo de seguridad incorporado, que asegura que Cas9 no sólo corta en cualquier parte del genoma. Las secuencias cortas de ADN conocidas como PAMs («motivos adyacentes al protoespaciador») sirven como etiquetas y se sientan adyacentes a la secuencia de ADN objetivo. Si el complejo Cas9 no ve un PAM junto a su secuencia de ADN objetivo, no cortará. Esta es una posible razón por la que Cas9 nunca ataca la región CRISPR en las bacterias, según una revisión de 2014 publicada en Nature Biotechnology.
CRISPR-Cas9 como una herramienta de edición de genoma

Los genomas de varios organismos codifican una serie de mensajes e instrucciones dentro de sus secuencias de ADN. La edición del genoma implica cambiar esas secuencias, cambiando así los mensajes. Esto puede hacerse insertando un corte o rotura en el ADN y engañando a los mecanismos naturales de reparación del ADN de una célula para que introduzcan los cambios que uno quiere. CRISPR-Cas9 proporciona un medio para hacerlo.

En 2012, se publicaron dos trabajos de investigación fundamentales en las revistas Science y PNAS, que ayudaron a transformar el CRISPR-Cas9 bacteriano en una herramienta de edición de genoma simple y programable.

Los estudios, llevados a cabo por grupos separados, concluyeron que Cas9 podría dirigirse a cortar cualquier región del ADN. Esto podría hacerse simplemente cambiando la secuencia de nucleótidos del ARNc, que se une a un blanco de ADN complementario. En el artículo de 2012 de Science, Martin Jinek y sus colegas simplificaron aún más el sistema fusionando el ARNic y el ARNtrac para crear un único «ARN guía». Así, la edición del genoma requiere sólo dos componentes: un ARN guía y la proteína Cas9.

«Operacionalmente, se diseña un tramo de 20 pares de bases [nucleótidos] que coinciden con un gen que se quiere editar», dijo George Church, un profesor de genética de la Escuela de Medicina de Harvard. Se construye una molécula de ARN complementaria a esos 20 pares de bases. Church enfatizó la importancia de asegurarse de que la secuencia de nucleótidos se encuentre sólo en el gen objetivo y en ningún otro lugar del genoma. «Entonces el ARN más la proteína [Cas9] cortará – como un par de tijeras – el ADN en ese sitio, e idealmente en ningún otro», explicó.

Una vez que se corta el ADN, los mecanismos de reparación naturales de la célula se activan y funcionan para introducir mutaciones u otros cambios en el genoma. Hay dos formas en que esto puede suceder. De acuerdo con el Proyecto de Alcance de Huntington en la Universidad de Stanford, un método de reparación consiste en pegar los dos cortes. Este método, conocido como «unión final no homóloga», tiende a introducir errores. Los nucleótidos se insertan o eliminan accidentalmente, dando lugar a mutaciones, que podrían perturbar un gen. En el segundo método, la ruptura se arregla rellenando el hueco con una secuencia de nucleótidos. Para ello, la célula utiliza una cadena corta de ADN como plantilla. Los científicos pueden suministrar la plantilla de ADN que deseen, y así escribir cualquier gen que quieran, o corregir una mutación.

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Utilidad y limitaciones

CRISPR-Cas9 se ha hecho popular en los últimos años. Church señala que la tecnología es fácil de usar y es unas cuatro veces más eficiente que la anterior mejor herramienta de edición de genomas (llamada TALENS).

En 2013, los primeros informes sobre el uso de CRISPR-Cas9 para editar células humanas en un entorno experimental fueron publicados por investigadores de los laboratorios de Church y Feng Zhang del Instituto Broad del Instituto Tecnológico de Massachusetts y Harvard. Los estudios que utilizan modelos in vitro (laboratorio) y animales de enfermedades humanas han demostrado que la tecnología puede ser eficaz para corregir defectos genéticos. Entre los ejemplos de estas enfermedades se encuentran la fibrosis quística, las cataratas y la anemia de Fanconi, según un artículo de revisión de 2016 publicado en la revista Nature Biotechnology. Estos estudios preparan el camino para las aplicaciones terapéuticas en humanos.

«Creo que la percepción pública de CRISPR está muy centrada en la idea de usar la edición genética clínicamente para curar enfermedades», dijo Neville Sanjana, del Centro del Genoma de Nueva York y profesor asistente de biología, neurociencia y fisiología de la Universidad de Nueva York. «Esta es sin duda una posibilidad excitante, pero esto es sólo una pequeña parte.»

La tecnología CRISPR también se ha aplicado en la industria alimentaria y agrícola para la ingeniería de cultivos probióticos y para la vacunación de cultivos industriales (para el yogur, por ejemplo) contra los virus. También se está utilizando en los cultivos para mejorar el rendimiento, la tolerancia a la sequía y las propiedades nutricionales.

Otra posible aplicación es la creación de unidades de genes. Se trata de sistemas genéticos que aumentan las posibilidades de que un rasgo particular pase de padres a hijos. Con el tiempo, en el curso de las generaciones, el rasgo se propaga a través de poblaciones enteras, según el Instituto Wyss. Los impulsos genéticos pueden ayudar a controlar la propagación de enfermedades como el paludismo al aumentar la esterilidad entre el vector de la enfermedad – mosquitos Anopheles gambiae hembra – según el artículo de 2016 de Nature Biotechnology. Además, las unidades de genes también podrían utilizarse para erradicar las especies invasoras y revertir la resistencia a los plaguicidas y los herbicidas, según un artículo de 2014 de Kenneth Oye y sus colegas, publicado en la revista Science.

Sin embargo, CRISPR-Cas9 no está exento de inconvenientes.

«Creo que la mayor limitación de CRISPR es que no es cien por ciento eficiente», dijo Church a Live Science. Además, la eficiencia de la edición del genoma puede variar. De acuerdo con el artículo de 2014 Science de Doudna y Charpentier, en un estudio realizado en el arroz, la edición de genes se produjo en casi el 50 por ciento de las células que recibieron el complejo ARN-Cas9. Mientras que otros análisis han demostrado que, dependiendo del objetivo, las eficiencias de edición pueden llegar hasta el 80 por ciento o más.

También existe el fenómeno de los «efectos fuera del objetivo», en el que el ADN se corta en sitios distintos del objetivo previsto. Esto puede llevar a la introducción de mutaciones no deseadas. Además, Church señaló que incluso cuando el sistema corta en el objetivo, hay una posibilidad de no obtener una edición precisa. Llamó a esto «vandalismo del genoma».

Estableciendo límites

Las numerosas aplicaciones potenciales de la tecnología CRISPR plantean interrogantes sobre los méritos y consecuencias éticas de la manipulación de los genomas.

En el artículo de 2014 de Science, Oye y sus colegas señalan el potencial impacto ecológico de la utilización de las unidades de genes. Un rasgo introducido podría propagarse más allá de la población objetivo a otros organismos a través de cruces. Los impulsos genéticos también podrían reducir la diversidad genética de la población objetivo.

La realización de modificaciones genéticas en embriones humanos y células reproductivas como el esperma y los óvulos se conoce como edición de la línea germinal. Dado que los cambios en estas células pueden transmitirse a las generaciones posteriores, el uso de la tecnología CRISPR para realizar ediciones de la línea germinal ha planteado una serie de preocupaciones éticas.

La eficacia variable, los efectos fuera del objetivo y las ediciones imprecisas plantean riesgos de seguridad. Además, hay muchas cosas que todavía son desconocidas para la comunidad científica. En un artículo publicado en 2015 en Science, David Baltimore y un grupo de científicos, especialistas en ética y expertos jurídicos señalan que la edición de la línea germinal plantea la posibilidad de consecuencias imprevistas para las generaciones futuras «porque hay límites a nuestro conocimiento de la genética humana, las interacciones entre los genes y el medio ambiente y las vías de la enfermedad (incluida la interacción entre una enfermedad y otras afecciones o enfermedades en el mismo paciente)».

Otras preocupaciones éticas son más matizadas. ¿Deberíamos hacer cambios que podrían afectar fundamentalmente a las generaciones futuras sin tener su consentimiento? ¿Qué pasa si el uso de la edición de la línea germinal pasa de ser una herramienta terapéutica a una herramienta de mejora de varias características humanas?

Para abordar estas preocupaciones, las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina elaboraron un informe exhaustivo con directrices y recomendaciones para la edición del genoma.

Aunque las Academias Nacionales instan a la cautela en la edición de la línea germinal, enfatizan que «cautela no significa prohibición». Recomiendan que la edición de la línea germinal se haga sólo en los genes que conducen a enfermedades graves y sólo cuando no haya otras alternativas de tratamiento razonables. Entre otros criterios, subrayan la necesidad de disponer de datos sobre los riesgos y beneficios para la salud y la necesidad de una supervisión continua durante los ensayos clínicos. También recomiendan hacer un seguimiento de las familias durante varias generaciones.

Investigaciones recientes

Ha habido muchos proyectos de investigación recientes basados en el CRISPR. «El ritmo de los descubrimientos de la investigación básica se ha disparado, gracias a CRISPR», dijo el bioquímico y experto en CRISPR Sam Sternberg, el líder del grupo de desarrollo tecnológico de Caribou Biosciences Inc. con sede en Berkeley, California, que está desarrollando soluciones basadas en CRISPR para la medicina, la agricultura y la investigación biológica.

Estos son algunos de los hallazgos más recientes:

  • En abril de 2017, un equipo de investigadores publicó en la revista Science que habían programado una molécula de CRISPR para encontrar cepas de virus, como Zika, en el suero de la sangre, la orina y la saliva.
  • El 2 de agosto de 2017, los científicos revelaron en la revista Nature que habían eliminado un defecto de enfermedad cardíaca en un embrión utilizando CRISPR con éxito.
  • El 2 de enero de 2018, los investigadores anunciaron que podrían detener los hongos y otros problemas que amenazan la producción de chocolate usando CRISPR para hacer las plantas más resistentes a las enfermedades.
  • El 16 de abril de 2018, los investigadores actualizaron el CRISPR para editar miles de genes a la vez, según una investigación publicada por la revista BioNews.
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