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