16 ene. 2016

Metabolismos Genéticamente Aumentados

-Uso de la Ingeniería Metabólica para obtener productos naturales de fuentes no originales.

- Inserción de rutas metabólicas en microorganismos hará mas fácil la producción de substancias de acceso restringido con alto valor económico y social.

- Se transformará radicalmente la naturaleza y percepción de ciertos productos: p. ej. “fármacos vegetales” producidos por microorganismos, “queso” vegetariano.

- Potencial de democratizar el acceso a ciertos productos y servicios, incluyendo para su uso criminal tipo la popular serie de TV Breaking Bad.

- Metabolismos modificados, alquimia del siglo XXI.

   El desarrollo de las sociedades se ha basado en parte en el acceso y aprovisionamiento de materias primas para obtener alimentos, energía, fármacos, etc. A partir de la expansión económica y social desatada por la revolución industrial (por cierto, generada a partir del desarrollo tecnológico de la época) la búsqueda de materias primas se aceleró y dio paso a la emergencia del colonialismo salvaje de los siglos XIX y XX como mecanismo de aseguramiento de las materias primas que la potencia colonialista consumía. En la actualidad el avance del conocimiento científico sobre los sistemas vivos y la creciente necesidad de innovar en procesos tecnológicos eficientes, limpios y baratos nos lleva a dar un giro muy profundo en la forma en como se obtendrán las materias primas y otros “commodities” que atestiguaremos en las décadas por venir del siglo XXI. Esta disrupción tecnológica tiene la capacidad de revolucionar la forma en que obtenemos materias primas para consumo y provocar grandes transformaciones a varios niveles en la economía y la sociedad en la que vivimos.

   Usando nuevas tecnologías basadas en la BioNanotecnología y Biología Sintética (p. ej. edición de genomas é ingeniería genética) generaremos microorganismos (bacterias, levaduras y algas) con metabolismos aumentados ó modificados para producir las materias primas que usamos y que provienen de organismos complejos como plantas y animales ó de fuentes no naturales como el petróleo. Así, la forma de producción futura de materias primas no estará restringida a la disponibilidad de la fuente natural, acceso a ciertas regiones geográficas, climas, estaciones del año ó requerimientos naturales; por los que, en principio, se podrá obtener en cualquier lugar del mundo, a partir de materiales baratos, renovables y accesibles para mayor numero de personas, é inclusive desde tu casa.

¿Que es la Ingeniería Metabólica?

   La ingeniería metabólica no es una disciplina reciente. De hecho los científicos y tecnólogos llevan décadas aplicando diversas estrategias como radiaciones ionizantes (nucleares) e ingeniería genética para modificar metabolismos de organismos. Con el desarrollo de nuevas técnicas como la disruptiva tecnología de edición de genomas con CRISPR/Cas9, secuenciación masiva, entre otras, modificar el metabolismo de un organismo de forma precisa, extensa, rápida y eficiente es, ahora mas que nunca, altamente factible.


   La ingeniería metabólica busca la modificación y optimización de las vías metabólicas (que consisten en todas las reacciones químicas de degradación y síntesis de moléculas) de una célula para producir compuestos de interés o llevar a cabo ciertos procesos. La mayoría de los esfuerzos hasta hoy realizados se enfocan en modificar microorganismos en lugar de organismos multicelulares superiores como insectos, animales ó plantas por que: 1) se tienen mas herramientas disponibles, 2) se sabe mas sobre ellos, 3) son menos complejos. En resumen: es mas fácil. La modificación de levaduras tiene mucho interés por que son organismos unicelulares con complejidad celular parecida a la de células de especies multicelulares superiores sin ser tan complejas, por lo que permite producir compuestos complejos con mayor valor ó relevancia, además de que actualmente existen las herramientas para editar sus genomas, es decir tienen la ventaja de ser parecidas a las bacterias pero con la complejidad suficiente para producir moléculas de células de animales o plantas.

Levadura Saccharomyces cerevisiae
   Uno de los principales objetivos de la ingeniería metabólica es producir en microorganismos modificados compuestos obtenidos de forma natural en organismos complejos como animales y plantas que son de escaso ó difícil acceso. Siendo de mayor interés compuestos farmacológicos y alimentarios, así como substitutos de derivados del petróleo. Para ello insertan una o varias enzimas que catalizan reacciones químicas específicas necesarias para la producción de ciertos compuestos. Estos microorganismos tendrán integrado en su genoma los genes que codificaran para ciertas rutas metabólicas ajenas pero que los dotarán de la capacidad de producir el compuesto deseado. Otro enfoque busca aumentar la expresión ó abolir completamente ciertas rutas metabólicas ó enzimas con el fin de maximizar la producción de un compuesto.


   A diferencia del boom de la ingeniería genética de los años 70-90 del siglo pasado cuando se desarrollaron las primeras herramientas genéticas, lo que se busca ahora es modificar células mas complejas que las bacterianas, tales como las eucarióticas (que poseen núcleo) y que incluyen a las levaduras y hongos, insectos, plantas y animales; y las herramientas ya están disponibles. La siguiente generación de metabolismos aumentados por venir en los siguientes años y décadas consistirá en la modificación de metabolismos de plantas y animales para obtener compuestos de mayor complejidad así como órganos y tejidos para trasplantes en humanos, lo cual de hecho ya empezó a probarse.

Ejemplos de Metabolismos Aumentados

   Trataré de mostrar algunos de los ejemplos mas sorprendentes y emocionantes en varios aspectos de microorganismos con metabolismos modificados.

Fármacos sintéticos contra la malaria.

En octubre de 2015 el comité Nobel en Medicina ó Fisiología sorprendió al mundo anunciando que la ganadora era Youyou Tu por el descubrimiento del fármaco natural anti-malaria artemisinina usado a nivel mundial. La artemisinina es una gran lección sobre la compleja relación que nuestras culturas tienen con la naturaleza. La artemisinina se extrae de la planta asiática Artemisa annua que crece con gran facilidad en los campos del Este asiático. La producción necesaria para proveer países que sufren de malaria debe ser asegurada año con año por productores de China y Vietnam. Debido a que ha surgido competencia por productores en África. Hace unos años el mundo se sorprendió cuando una pequeña compañía biotecnológica de California llamada Amyris anunció que podía ser producida de forma sintética, barata y sin restricciones de ningún tipo (mas detalles aquí). La compañía ha declarado que usará las reservas de artemisinina sintética para abastecer el mercado cuando lo necesite y así mantener el precio estable y que no pondrá todo su producto en el mercado para no afectar a los productores, a pesar de que en 2007 hubo un boom en la producción asiática para afectar a los productores africanos. La producción fácil y barata de dicho fármaco es parte de la solución que se tiene que dar en la erradicación de la malaria, aunque por supuesto no es el único factor.


Artemisinina: Compuesto anti-malaria 

Alimentos: ¿Queso de vaca ó de levadura?

   El queso es uno de los alimentos mas consumidos y amados por todos. Se puede encontrar en todo el mundo y es parte fundamental de la cultura culinaria de varios países. Además, debido a su alto contenido proteínico el queso tiene un alto valor nutricional por lo que su consumo es fundamental para el desarrollo de los infantes. Si fuera poco, recientemente se ha reportado que el queso genera en el cerebro humano los mismos efectos que las drogas: es adictivo, así como delicioso y nutritivo. A pesar de todas sus bondades ciertas personas no lo consumen por que son veganas, alérgicas ó peor aún, por que no tienen acceso a el debido a su alto precio ó poco acceso a la leche de vaca. Recientemente un grupo de biopunks se ha embarcado en la tarea de generar queso “de vaca” vegano usando levaduras con metabolismos modificados genéticamente en lugar de vacas.

Producción de queso a parir de levadura modificadas genéticamente. Foto propiedad de Wired.

   El queso se obtiene a partir de la coagulación de las proteínas animales caseínas, por acción de la enzima, también animal, renina. Insertando los genes de dichas proteínas en el genoma de levaduras es posible producirlas usando bioreactores y una vez purificadas procesarlas para obtener el queso. El proyecto tomará muchos años mas antes de poder ser finalizado exitosamente por que en realidad se necesita mucho mas que la proteínas para obtener el queso, por ejemplo ciertas grasas, minerales y otros componentes aún no identificados claramente. Pero sin embargo la obtención de las proteínas del queso es un paso gigantesco. La realización del queso de origen no animal cuenta con consecuencias sociales, económicas y culturales inmensas, que podrían cambiar para siempre la forma en que obtenemos nuestros alimentos así como en la concepción que tenemos de ellos y podría ser el principio de una revolución alimentaria de gran calado. Y todo modificando metabolismos.

Producción de medicamentos y drogas...desde el patio trasero de tu casa

Goma de opio escurriendo de la planta.
 
   La goma de opio derivada de la planta Papaver somniferum es la fuente de abundantes moléculas alcaloides como la codeína, tebaína, papaverina, noscapina y la morfina que se usan como de medicamentos (o son sus precursores) bastante importantes tales como analgésicos, anti-espasmódicos. etc. En el caso de la morfina, ella es el precursora de una vasta gama de analgésicos aunque también de la heroína. La cual es una de las drogas mas adictivas y mas comercializadas en el mundo. Su tráfico ilegal genera millones de dólares y ha desencadenado numerosos conflictos sociales, económicos y políticos alrededor del mundo.

Morfina

   Recientemente se reportó la síntesis de morfina usando la levadura “del pan”, Saccharomyces cerevisiae, con un metabolismo genéticamente aumentado al crecer en azúcares simples y baratos. Los científicos insertaron la ruta metabólica entera de producción de opiáceos en una sola cepa de la levadura usando genes de la planta del opio, remolacha y una bacteria del suelo. Fue una labor de largo aliento que tomó al menos 7 años y el trabajo de varios grupos de investigación. Su interés es producir compuestos opiáceos que ultimadamente conduzcan a la producción barata, rápida y segura de fármacos analgésicos opiáceos mas seguros y efectivos que los que existen actualmente.

   Cualquier persona que tenga acceso a la cepa de levadura y que pueda adquirir un bioreactor como el que se usa para producir cerveza casera (es decir muy barato), podría producir morfina de forma muy barata y rápida desde su casa! (si, tipo la serie de TV Breaking Bad). Esto tiene varias consecuencias, por un lado, al usarse de forma responsable, podría democratizar y descentralizar la producción (y el acceso) de medicamentos baratos; pero por otro lado, se facilitaría la producción de drogas como la heroína con consecuencias serias y muy profundas para la seguridad, la economía y la paz social.

Llantas ecológicas, biocombustibles y demás "Syndustrias"

   La industria de la biología sintética está llegando a una madurez que nos deslumbra con sus posibilidades y nos esta mostrando una diversidad de ejemplos de productos capaces de ser obtenidos a partir de microorganismos con metabolismos modificados, dichas industrias basadas en la biología sintética son llamadas "syndustries". Por ejemplo, la misma compañía que produce de forma sintética la artemisinina, Amyris, tiene planeado sacar a la venta pronto llantas renovables producidas a partir de azúcares transformados en isopreno usando levaduras en lugar de usar isopreno derivado del petroleo.

   Por otro lado, recientemente se reportó la modificación del metabolismo de la levadura “del pan” S. cerevisiae con genes de algas y bacterias con capacidad de producir etanol a partir de azúcares baratos y abundantes con una eficiencia que alcanza el valor teórico máximo, añadiendo valor a compuestos renovables con eficiencia comparable a los obtenidos a partir de materias primas producidas a partir de tierra arable o agricultura, es decir que podría ser un substituto de plantas (como el maíz) usadas en la producción de biocombustibles y así no competir con la cadena alimentaria.

   Existen otros ejemplos tales como la producción de vainilla, aromas y sabores naturales, plástico, etc. que no revisaremos pero invitamos al lector a buscarlos en internet, por ejemplo en este Think Tank sobre industrias basadas en biología sintética.

Las nuevas industrias basadas en Biología Sintética o "Sindustrias". Foto tomada de strategyr.com.

Metabolismos aumentados y sus Implicaciones

   El cambio en la fuente de origen de las materias primas traerá cambios drásticos previsibles e imprevisibles. Es previsible que las economías de países basados en materias primas sufran bastante. Si el siglo XIX y gran parte del XX se identificaron con la búsqueda de preciados recursos naturales y la exportación de materias primas, en el XXI habrá una implosión, los recursos se producirán en casa ó localmente, no habrá necesidad de salir para obtenerlos.

   La distinción entre los productos naturales y artificiales (es decir lo que es ideado y producido por un ser humano) empezará a borrarse. Ya no se trata de la clásica distinción entre lo exclusivamente producido por el humano por un lado (Artificial) y lo producido por la naturaleza (Natural) por el otro, ya que los metabolismos aumentados, aun siendo creados de forma artificial crearán un producto de la misma forma que la naturaleza los produce: haciendo uso de metabolismos biológicos y no reacciones orgánicas o químicas fuera de un contexto biológico por lo que la diferencia entre lo natural y artificial será de grado y no de tipo, ya que la substancia es prácticamente idéntica a la natural pero obtenido por otra especie.

   La “bioalquimia” sintética de los metabolismos modificados ó aumentados tiene el potencial para cambiar la concepción que tenemos de natural y artificial así como renovar y democratizar nuestras fuentes de materias primas para obtener alimentos, fármacos, materiales de consumo, energía y demás. Es concebible que dichas innovaciones tecnológicas conduzcan a profundos cambios y reacomodos sociales y por lo tanto desencadenen revoluciones de varios tipos. Hay que recordar que el mundo que tenemos hoy es la culminación de los cambios sociales que inició la revolución tecnológica e industrial del siglo XVIII.


PhD. Armando Hernández-García
Northwestern University, Chicago, January, 2016.

Contacto: armaquim@gmail.com

5 jul. 2015

Nanotecnología de ADN: Cuando los nanobots nos alcancen

Un paciente con cáncer terminal respira agitado. Una sustancia líquida, que contiene trillones de minúsculos objetos, es inyectada dentro de su cuerpo. Una vez dentro, estas pequeños objetos surcan su sangre. En su danza aleatoria atraviesan tejidos, órganos y chocan con diferentes células, hasta que finalmente una de nuestras naves nanométricas colisiona con una célula cancerígena y establece contacto. De repente es engullida por la célula y una vez dentro, siguiendo las instrucciones precisas con las que fue diseñada, libera un cargamento de moléculas que tienen la finalidad de eliminarla. El paciente aún aturdido por la inyección, respira profundamente y se pregunta si tendrá un día mas con vida. Esta historia no es ciencia ficción es ahora una realidad. Actualmente nano-robots construidos con ADN están siendo probados para curar enfermedades como el cáncer, construir sensores y sistemas artificiales con vida propia; y pronto sabremos si lo logran.

Nanorobots de ADN programado para atacar células cancerígenas.
Imagen creada por Campbell Strong, Shawn Douglas & Gael McGill (imagen tomada de Nature, 2012).

Inicio de un era

 En 1953 en un artículo con extensión de una página un par de jóvenes muy ambiciosos llamados James Watson y Francis Crick, reportaban la estructura de los ácidos deoxirribonucleicos ó ADN. No imaginaban que esa página abriría toda una nueva era de descubrimientos y avances científicos y tecnológicos extraordinarios. Su artículo explicaba los fundamentos de la herencia y con ello innumerables fenómenos como el origen y evolución de las especies, causas y curas de enfermedades, además de ayudar a entender temas tan dispares como las migraciones y hasta aspectos de la esfera social y cultural humana.


Watson y Crick mostrando su modelo molecular del ADN
(foto tomada de internet).

Nanomáquinas de ADN, la revolución por venir

 El descubrimiento de la estructura del ADN dio paso a una de las revoluciones científicas mas importantes que la humanidad ha atestiguado. Si esto no fuera suficiente hace unos años ha dado origen a una segunda revolución. Esta nueva revolución BioNanotecnológica usa al ADN como material de construcción de un sinfín de máquinas moleculares con propiedades insólitas y las usa en aplicaciones tan imprevistas como singulares que van desde hacer computación hasta curar el cáncer. ¿Cómo es que el ADN pasó de ser la materia básica de la herencia y de interés para biólogos hasta volverse en el material mas versátil y preciso que se conoce hasta el momento para construir máquinas moleculares?

Reconocimiento Molecular

 La impresionante capacidad del ADN para construir máquinas moleculares radica en su capacidad de reconocimiento molecular que se origina a partir de la composición de su unidad básica: el ácido nucleico. Este esta compuesto de una base nitrogenada unida a un azúcar (desoxirribosa) y esta a su vez a un fosfato. Los ácido nucleicos suelen enlazarse en hebras de hasta millones de unidades (Ver esquema 1). El reconocimiento molecular se origina en las bases nitrogenadas. Existen 4 diferentes: Citosina o “C”, Guanina o “G”, Adenina o “A” y Timina o “T”, que de acuerdo a las reglas de Watson-Crick interactúan exclusivamente en pares bien definidos: Citosina con Guanina y Adenina con Timina. Es decir, si tenemos una hebra de ADN con la secuencia: “GATTACA”, solo reconocerá y unirá a otra hebra con la secuencia complementaria “CTAATGT”. Es precisamente la capacidad de reconocimiento molecular de secuencias complementarias lo que permite al ADN construir estructuras con alta precisión en la nanoescala. Antes de ver lo que se puede construir veamos cómo se le ocurrió a alguien algo que ahora nos parece obvio.


Esquema 1. Descripción de la estructura molecular del ADN. Arriba: reconocimiento molecular
de las bases nitrogenadas. Abajo: composición de un ácido nucleico (foto tomada de wikipedia).


Escher y la Nanotecnología de ADN

 Pararse frente a una obra del artista Holandés M. C. Escher es toda una experiencia tan inspiradora como intrigante. Sus ilustraciones retan nuestra percepción y lógica, las cuales consideramos infalibles. Escher realizó una ilustración llamada “depth” (profundidad en inglés). En ella se observan series de peces organizados equidistantemente en una red tridimensional, cada uno apuntando en seis direcciones distintas (como en un cubo).

En los años 80’s es un bar de un campus universitario de Estados Unidos un personaje inquieto, curioso y ambicioso, tal como los jóvenes Watson y Crick de los 50’s, contemplaba esta ilustración é imaginaba que la figura central podía ser una molécula de ADN orientando moléculas en el espacio a través de su capacidad de reconocimiento. Es el momento cuando a Ned Seeman se le ocurre usarla para construir estructuras altamente organizadas y el concepto de Nanotecnología de ADN nace. Esta es la historia que Ned siempre cuenta a todo aquel que se le acerca a preguntar sobre el origen de su inspiración. Unos años después Ned reportó el uso del ADN para formar nanoestructuras y una nueva historia nació: el ADN como bloque de construcción de un minúsculo universo imposible de ver con nuestros ojos y de manipular con nuestras manos.




                      Izquierda: Ned Seeman, padre de la Nanotecnología de ADN (foto tomada de internet). Derecha: 
                      Depth (1955) grabado en madera, obra del artista holandés M. C. Escher (c). Imagen tomada 
                      de The Official M.C. Escher Website (foto tomada de internet).


Origami de ADN

 El concepto de la nanotecnología se concretó en los albores del siglo XXI cuando Paul Rothemund reportó el primer programa de computación para diseñar nano-estructuras de ADN. Paul sintetizó las hebras de ADN y al mezclarlas descubrió las formas exactas que el había previsto en su computadora como las icónicas "caras felices". Esto demostraba que cientos de hebras diferentes podían reconocerse y auto-ensamblarse en estructuras con formas precisas y bastante complejas. A partir de entonces un sinfín de estructuras cada vez más complejas se han reportado: engranes, redes, cubos, cápsulas, botellas, tubos, etc. Estas estructuras fueron bautizadas como “ADN Origami” al comparar el plegamiento de hebras de ADN con el plegamiento de pedazos de papel que se usan en el Origami.


 
Nanoestructuras construidas con ADN.
Pinheiro, A.  et. al. Nat. Nano. 2011 (6), 763-772.

Es preciso reconocer que el diseño de secuencias de ADN así como su manipulación no es ni fácil ni intuitivo (hay que manejar miles y miles de letras sin sentido a nuestra mirada), por eso es que la nanotecnología de ADN ha despegado debido al menos a: 1) desarrollo de computadoras y programas adecuados, 2) abaratamiento en la síntesis química de cadenas de ADN y 3) la existencia de equipos para visualizar y manipular materia en el nano-universo. Esto me ha enseñado que la ciencia disruptiva nace de la convergencia de varias disciplinas y capacidades tecnológicas, lo cual a través de un círculo virtuoso llevará a desarrollar a su vez nueva ciencia y tecnología. Por todo esto, sin duda alguna, Ned Seeman y Paul Rothemund se merecen el premio Nobel por el desarrollo de la Nanotecnología basada en ADN. Para ello solo falta que alguien use la Nanotecnología de ADN para beneficio de la humanidad, como por ejemplo curar el cáncer.

Caminantes, computadoras, robots y mas allá

 En los últimos años la nanotecnología de ADN ha pasado de desarrollar estructuras estáticas y sin función clara a programar estructuras dinámicas, máquinas y robots con capacidad de reconfiguración, computación y reconocimiento de estímulos celulares. Para dar dinamismo a estructuras de ADN, se hace uso de hebras cortas que tengan mayor grado de complementariedad para desplazar a otras hebras de la estructura. Haciendo uso de este principio se han diseñado moléculas de ADN que caminan de forma autónoma sobre una pista de ADN y transportan cargamentos de un lado a otro, o que catalizan una serie de reacciones químicas o propician el ensamblado de otra estructura o el crecimiento de un polímero mientras caminan. Así mismo, usando secuencias de ADN con capacidad de reconocimiento de otras moléculas (aptámeros) se han diseñado estructuras de ADN que guían el posicionamiento de moléculas tan diversas como proteínas, enzimas, anticuerpos, nano-partículas metálicas como oro ó plata, puntos cuánticos, nanotubos de carbono, metales, etc. para aplicaciones tan variadas que no hay espacio aquí para describirlas Recientemente se ha reportado el diseño de sistemas autónomos que se auto-reconfiguran y auto-replican, es decir que tengan vida.

Hacia la cura del Cáncer

 Recientemente un nuevo capítulo en la historia de la ciencia se esta escribiendo. Se reportó por primera vez la construcción de robots completamente hechos de ADN con cierto parecido a cápsulas que transportan en su interior fármacos anticancerígenos y que son capaces de reconocer células cancerígenas y liberar su contenido dentro de ellas. Esto ha causado gran sensación pero lo que ha llamado mas la atención recientemente en los medios es que estos nanorobots de ADN empezarán a ser probados clínicamente para curar el cáncer terminalen humanos (ve un video de como funcionan los nanorobots). De lograrse esto estaríamos entrando en una nueva era donde podríamos programar nanorobots para combatir enfermedades, inclusive desde nuestra casa como varios grupos de biohackers han propuesto.

Detalles del diseño de primer Nanorobot hecho con ADN y usado para eliminar células cancerígenas
Imagen tomada de Douglas, S. M., Bachelet, I. & Church, G. M. Science 335, 831–834 (2012).

Nano-estructuras de ADN y la frontera de la vida

 Uno de los programas de investigación mas ambiciosos basados en nanotecnología de ADN busca entender el origen de la vida y reinventarla a través de lograr el ensamblado de nanoestructuras que puedan ser evolucionadas dentro de la célula. Haciendo uso de la evolución se les puede dotar de estructuras y/o funciones que permitan ser integradas a la célula, imitarla o ir mas allá y crear células artificiales a partir de estructuras de ADN. Así mismo se están estudiado y diseñando nano-estructuras hechas con ARN (el primo del ADN) para explicar y recrear el origen de la vida. De lograrse todo esto, cambiaría radicalmente la vida como la conocemos en su escala mas fundamental y nuestro entendimiento acerca de ella, ya que como decía el físico Richard Feynman: “Si no lo puedo crear es por que no lo entiendo”.


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El ADN nos cuenta una de esas historias que no solo no deja de impresionar con el tiempo, si no que cada vez impresiona mas y de forma original y sorprendente. La nanotecnología de ADN aún está en construcción pero queda claro que haciendo uso de reglas de diseño sencillas los científicos están creando todo un nuevo universo de materiales diminutos que aunque no podemos ver y tocar tienen un futuro brillante y esperanzador que indudablemente nos alcanzará a todos.


Armando Hernández García
Investigador Postdoctoral
Universidad de Northwestern, Chicago, EEUU.
armando.hernandez-garcia@northwestern.edu



7 dic. 2014

Edición de Genomas: la Nueva Revolución Biotecnológica

Hay veces que uno se pregunta si en este momento está ocurriendo algún descubrimiento científico con capacidad de revolucionar nuestro presente. La respuesta es SI. En realidad debe haber mas de un evento ocurriendo simultáneamente. Estoy seguro que algo en ciencias de la computación y de la información se está cuajando. El gran colisionador de Hadrones aún está en funcionamiento y podría revelar mas secretos acerca de la materia. ¿Y en Bionanotecnología?, ¿qué está pasando? Bien, están pasando muchas cosas pero hay una en particular que está conmocionando al campo entero, y se pronostica que además de revolucionar la ciencia y la medicina también traerá consigo grandes cambios en muchos aspectos sociales y económicos. Esta tecnología ha sido bautizada como “Tecnología CRISPR/Cas9”.

CRISPR/Cas9 en pocas palabras

La tecnología CRISPR/Cas9 es una herramienta molecular para “editar” a voluntad el genoma de cualquier célula, incluyendo las humanas. Funciona como un par de tijeras moleculares que cortan de forma precisa, controlada, eficiente y expedita cualquier molécula de ADN que se le ponga enfrente, y así poder modificar su secuencia, ya sea eliminando o insertando nuevo ADN. CRISPR/Cas9 podría convertirse en el moderno “santo grial” o “la piedra filosofal” de la nueva revolución a llamarse Ingeniería Genética 2.0 o “reloaded”.
  

Un poco de historia

Como cualquier otra tecnología revolucionaria, la emergencia de CRISPR/Cas9 ocurrió de forma inesperada. Un grupo de científicos con gran dosis de curiosidad se planteó una pregunta del tipo: “¿Qué pasaría si…?”. Revisemos su historia.

Todo empezó en 1987 cuando se reportó que ciertas bacterias presentaban un tipo de protección natural en contra de invasiones virales. Investigando a fondo se descubrió que su ADN contenía varias secuencias que reconocían el ADn del virus invasor y junto con una proteína lo cortaban. A estas secuencias se les bautizó en 2002 con el nombre, nada fácil recordar, de “Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats” o CRISPR y las proteínas son llamadas “Cas” (CRISPR associated system). En el año 2005 finalmente se reconoció a CRISPR/Cas como un tipo de “sistema inmune” exclusivo de los microorganismos.

Hasta aquí era solo un descubrimiento científico de gran interés para los microbiólogos pero aún no había biólogos moleculares, nanotecnólogos, médicos y hasta abogados e inversores interesados en saber mas de esto. ¿Que pasó entonces?

En 2012 el horno estaba listo para bollos. La acumulación de conocimiento básico acerca de los CRISPRs estaba lista para hacer emerger el descubrimiento clave por un grupo conformado por dos laboratorios comandados por dos mujeres científicas excepcionales: Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna. y varios postdoctorantes muy curiosos. Todos sabían que las proteínas Cas y el ARN necesarios para cortar el ADN solo se encuentran en ciertos microorganismos pero solo al equipo se les ocurrió la pregunta: ¿que pasaría sí introducimos los componentes necesarios para cortar un genoma en una célula que no la tiene?, ¿cortaremos su genoma?

Rediseñaron los ARNs necesarios y los insertaron junto con la enzima Cas9 dentro de una célula y descubrieron que, ¡voilà!, le otorgaban la capacidad de cortar y editar su propio genoma!. A mediados del año 2012 reportaron su descubrimiento en la revista Nature y pasó a ser parte de la historia.

El descubrimiento de los CRISPRs en la portada
de la revista Nature
A partir de entonces se disparó el número de publicaciones sobre el tema. A principios del año 2013, bajo una muy férrea competencia, varios grupos diferentes reportaron que se podía hacer los mismo en células eucarióticas (con núcleo) incluyendo las humanas. Hasta ahora se ha reportado la edición de genomas de células germinales de primates, la remoción total del VIH en células humanas, la modificación de plantas, entre otros. El mas reciente descubrimiento que ha hecho disparar todas las las posibilidades para esta técnica es la de crear organismos genéticamente modificados en sus células germinales que pueden heredar la capacidad de mutación a sus descendientes. Algo nunca logrado, o acaso solo parcial, lenta e ineficientemente.

¿Como funciona la tecnología CRISPR/Cas9? 

El principio básico de la tecnología CRISPR/Cas9 es el siguiente: una molécula de ARN (también llamado CRISPR o ARN guía) es insertada en una célula, una vez dentro reconoce el sitio exacto del genoma donde la enzima Cas9 deberá cortar.

El proceso de editar un genoma con CRISPR/Cas9 incluye dos etapas cruciales. En la primer etapa el ARN y la enzima cortan al ADN del genoma, en la segunda se elimina o inserta una secuencia de ADN adyacente al sitio de corte.

La imagen muestra el complejo entre la proteína Cas9
(en azul), junto con el ARN guía (amarillo), y en ADN blanco (rojo).
Foto de MIT News.
En la primer atapa el ARN guía se asocia con la enzima Cas9. En seguida el ARN guía reconoce de forma específica una secuencia en particular del ADN (sitio de corte) y se posa ahí a través de apareamiento de nucleótidos según las reglas de Watson y Crick. La enzima Cas9 entonces corta el ADN en ese sitio con alta eficiencia (es decir la mayoría de las veces). El corte se puede realizar prácticamente en cualquier parte del genoma con tal solo modificar la secuencia del ARN guía.

En la segunda etapa una vez que se ha hecho el corte se activan al menos dos mecanismos naturales de reparación del ADN cortado y que completan el proceso de edición del ADN genómico. El primero llamado indel (del ingles insertion-deletion) genera una eliminación o una inserción de ciertas secuencias después del sitio de corte que lleva a la perdida de la función original del segmento de ADN cortado. 

Un segundo mecanismo permite la incorporación de una secuencia particular exactamente en el sitio original de corte (o entre dos sitios de corte si es el caso). Para esto se requiere la introducción a la célula de una secuencia donante junto con todo el sistema CRISPR/Cas9. Todo el procedimiento se reduce a insertar dentro de la célula un cocktail de ARNs o un plásmido (ADN) que codifica para la proteína Cas9 y los RNAs. Debido a la gran eficiencia del proceso no se requieren mayores manipulaciones. Además, el ARN guía y la enzima Cas9 tienen una vida temporal dentro de la célula por lo que una vez que la modificación se ha logrado dejan de ser activas otorgando mayor control a todo el proceso.

Aplicaciones de la tecnología CRISPR/Cas9 

La capacidad de alterar la secuencias de genomas de forma dirigida y altamente eficiente sin duda transformará radicalmente el panorama de toda la investigación biológica, y en principio, el desarrollo de novedosas terapias moleculares para atender enfermedades humanas hasta ahora incurables.

Hasta la fecha la tecnología CRISPR/Cas9 ha sido usada en laboratorios de investigación como método para eliminar e insertar con precisión y sin mayores alteraciones secuencias en un amplio intervalo de organismos y tipos de células. Algunas de las nuevas aplicaciones son crear modelos de animales superiores (primates) para estudiar enfermedades complejas (esquizofrenia) antes impensables de estudiar sistemáticamente. 

Siendo mas específicos, se podrá regular la expresión genética, etiquetar sitios específicos genómicos en células vivas, identificar y modificar funciones de genes y corregir genes defectuosos con fines terapéuticos. Muchas de estas aplicaciones serían imposibles sin la tecnología CRISPR/Cas9. Algunas de las desventajas que existen y que podrían limitar sus aplicaciones son la falta de especificidad para reconocer el sitio de corte por parte del ARN guía ocasionando que la enzima Cas9 corte donde no se quiere. Otra desventaja es que la enzima puede presentar cierta actividad de corte aun sin haber un ARN guía presente. Esto está siendo eliminado usando enzimas mas precisas.

Implicaciones Científicas

Las científicas (al centro) recibiendo un premio.
La tecnología CRISPR/Cas9 es aun mas revolucionaria que la aparición de la ingeniería genética de los 70's. Está haciendo que los científicos hablen de nuevo no solo de todas las posibilidades que la primera generación de Ingeniería Genética mencionó en los años 70’s - 80’s, si no también de nuevas y novedosas aplicaciones. Unas de ellas son la terapia génica y los alimentos transgénicos, pero como esta vez la tecnología es mas poderosa varias de las limitaciones y riesgos asociados podrían no existir ya que se tiene mayor control de donde se corta en el genoma y que se inserta. 


Por otro lado usando CRISPR/Cas9 con toda seguridad avanzará nuestro conocimiento sobre el origen y las causas de muchas enfermedades, hasta ahora incurables, y contribuirá a desarrollar posibles curas. Así mismo, contribuirá a entender mas a fondo como funciona la célula, entender el origen genético de enfermedades mentales y ultimadamente que es la vida.

Las posibilidades son inmensas. La tecnología CRISPR/Cas9 abre una nueva época de ingeniería genética por que hace que la edición de cualquier genoma sea fácil, rápido y barato. Se puede programar fácilmente en un plásmido (ya existen varias compañías que lo ofrecen) y usarse directamente para editar ADN. Las tecnologías que existían para manipular genomas eran imprecisas y/o difíciles de llevar acabo, usaban muchos recursos y/o tiempo y no siempre se tenía el control sobre donde se cortaría el ADN (para posteriormente insertar una nueva secuencia).

Implicaciones Médicas, Sociales y Comerciales 

A partir de su primer demonstración en células humanas inició una loca y muy singular carrera por la propiedad intelectual de la tecnología CRISPR/Cas9 por parte de dos compañías que han recabado millones de dólares para empezar a funcionar. La lucha por la patente es todo un tema que merece un análisis aparte por que además de los litigios que existen hay cada vez mas voces que piden que debido a la gran capacidad de curar enfermedades por parte de CRISPR-Cas9 se deje como acceso público.  Debido a esto parece ser que cualquier aplicación tendrá que esperar a que se aclare quien tendrá los derechos de está billonaria tecnología.

Lo que las compañías se han planteado es atender diversos males genéticos tales como anemia falciforme y mal de Huntington a través de la remoción de la mutación y los segmentos de ADN extra que son los causantes. También están tratando de reducir el efecto del cromosoma extra en personas con Síndrome de Down. Otra aplicación es reprogramar nuestra células para que corten el genoma del VIH o removerlo de personas infectadas, así como modificar los genomas de embriones humanos.

Mas allá de usos médicos, se está buscando programar inmunidad “en demanda” en bacterias y microorganismos de uso industrial y alimentario. Además, desarrollar variedades de cereales y ganado con características genéticas deseadas. Estas aplicaciones por su alto impacto social y económico sin duda generará mucho debate, tanto o mas que el generado por los alimentos transgénicos.

Debido a la gran variedad de posibles impactos que van mas allá de la ciencia y que incluyen a toda la sociedad en su conjunto se espera una discusión aún mas acalorada que la observada en la primera revolución de la ingeniería genética de los 70s’s, que vaya que ha sido acalorada.

La revolución que viene

Se dice que todo comenzó tratando de hacer mejor yogurt (los CRISPRs se han estudiado ampliamente en bacterias lácticas). El premio Nobel Craig Mello, descubridor del ARN de interferencia, inclusive considera que este descubrimiento tienen mayores posibilidades de aplicarse en la clínica que el suyo (ARNs de interferencia). Los descubridores, dos mujeres científicas jóvenes, se han posicionado como candidatas serias a obtener el premio Nobel en los años por venir y se posan como un ejemplo de mujeres científicas exitosas.

Las inventoras de la tecnología CRISPR/Cas9: 
la estadounidense Jennifer Doudna y
la francesa 
Emmanuelle Charpentier.
 
La tecnología CRISPR/Cas 9 nos recuerda que los seres vivos estamos formados de cierto tipo de materia con capacidades complejas y aún desconocidas. Por otro lado, puede tomar al menos una década de investigación continua para sacar la tecnología de su uso diario en laboratorios hacia su uso comercial (médico o agrícola). También se ha abierto debate de acerca de a quien le pertenecen los descubrimientos y si deben ser de acceso público. Otro debate, acerca de los posibles riegos a la salud, ecológicos y sociales aun no se menciona pero será planteado en un futuro muy cercano.


Todo indica que una nueva revolución científica y tecnológica (y comercial) ya está en marcha. Es bastante posible que esta tecnología converja con otras tecnologías como la Biología Sintética y Nanotecnología y aceleren juntas su desarrollo. La sociedad tendrá que decir hasta que punto las abraza, ya que sin duda habrá perdedores y ganadores como en cualquier otra revolución, pero de nosotros depende que no sea la humanidad y la naturaleza. 

Por último, ¿quien dijo que las bacterias no podían causar revoluciones?


Dr. Armando Hernández-García
Northwestern University / Chicago