El premio Princesa de Asturias del último año se ha otorgado a dos investigadoras, E. Charpentier y J. Doudna, por su trabajos en torno a la técnica biotecnológica llamada CRISPR-CAS que permite editar el genoma de los seres vivos. Pero, ¿de qué se trata?, ¿porqué tiene este nombre tan complejo? y, sobre todo, ¿cuáles son las modificaciones que se han producido y se están produciendo en esta técnica para poder utilizarla como unas “tijeras moleculares” y más allá?, y que la convierten según muchas opiniones en la técnica biotecnológica más prometedora del siglo XXI.
El sistema CRISPR-CAS
Este sistema está presente en bacterias y en arqueas,-utilizándolo tales organismos como mecanismo de defensa frente al ataque de virus.
El sistema está basado en la existencia en los genomas bacterianos de una o varias regiones constituidas en primer lugar por una serie de repeticiones de secuencias cortas de ADN (-de no más de 30 pares-) de bases que además son palíndromicas (es decir, que tienen las mismas bases nucleotídicas en las dos direcciones del ADN). Y en segundo lugar, entre dichas repeticiones existen otros fragmentos de ADN que son de origen virásico y no bacteriano. Por ello, a estas regiones se les llama CRISPR: Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats en inglés; en castellano,sería algo así como Repeticiones Cortas Palindrómicas, Agrupadas Regularmente y Separadas entre sí-por los fragmentos de ADN virásico.
Finalmente, en las proximidades de las regiones CRISPR, existen una serie de genes a partir de los cuales se sintetizan enzimas que cortan el ADN, aunque para ello necesitan de la cooperación del ARN , que se origina a partir de tales regiones CRISPR. Es por ello por lo que a estos genes se les llama CAS-Crispr ASsociated.
Su papel en la naturaleza
Todo este sistema dota a las bacterias de un sistema de defensa frente al ataque de virus que funciona en dos pasos. En primer lugar, al verse invadidas por un virus por primera vez, las bacterias sintetizan las enzimas CAS,que cortan el ADN de tales agentes infecciosos en fragmentos y los introducen entre las secuencias cortas repetidas. Para este último paso, se utilizan además los sistemas enzimáticos de reparación de ADN que están presentes normalmente en las bacterias.
“Armadas” de esta forma, cuando las bacterias experimentan una nueva infección con un virus cuyo ADN está presente en parte en su región CRISPR, además de las enzimas CAS, se sintetiza un fragmento de ARN con la información genética del virus. Este ARN se une a las enzimas CAS y ambos se adhieren primero por complementariedad de la secuencia nucleotídica del ARN, sobre el ADN del agente infeccioso. Y a continuación, lo cortan y destruyen por la acción de las enzimas CAS.
En definitiva, se trataría de un sistema de inmunidad adquirida propio de bacterias.
Las “tijeras biotecnológicas”
Pero este antiquísimo sistema de inmunidad exclusivo de bacterias se ha modificado de forma que pueda actuar con fines biotecnológicos en células, e incluso, en organismos eucarióticos (incluída la propia especie humana) en los que no está presente de forma natural.
Concretamente, lo que se ha hecho en tales casos es introducir las enzimas CAS bacterianas en los eucariotas, pero en vez de ir unidas a fragmentos de ARN de virus, van unidas a fragmentos de ARN con secuencias complementarias a las del gen o genes que se quieren manipular. Estas construcciones artificiales actúan sobre los genes eucarióticos cortándolos inicialmente y permitiendo posteriormente que se puedan sustituir por otros que interesen. Y aquí, de nuevo intervienen las enzimas existentes también en las células eucarióticas para la reparación del ADN.
De esta forma, se ha conseguido algo que se ha perseguido sin mucho éxito durante mucho tiempo: la edición del genoma de los seres eucarióticos. La aplicación de esta tecnología ha abierto perspectivas interesantes en distintos campos, que van desde la investigación básica a la medicina, pasando por la agricultura y la ganadería. De hecho, se acaba de demostrar recientemente la posibilidad de curar mediante esta tecnología una enfermedad degenerativa muscular en organismos vivos (en ratones), más allá de cultivos celulares o in vitro. E incluso, se ha abierto la posibilidad de poder editar el genoma de los embriones portadores de enfermedades de origen genético.
Pero la posible edición de los genes y genomas eucarióticos basados en la acción de corte y reemplazo propiciado por el sistema CRISPR-CAS tiene el inconveniente de que, tales cambios son heredables e irreversibles. lo que, sobre todo en el caso de los embriones, ha suscitado diversos debates éticos, biológicos, sociales etc.
Más allá de las “tijeras”
Para evitar estos problemas, lo que se está haciendo en primer lugar es desactivar la zona de las enzimas CAS que actúan cortando el ADN.Es decir, se está eliminando su acción como tijeras moleculares. Aparecen así las llamadas dCAS (de deadCAS en inglés), o CAS “muertas” o mejor, “CAS silenciadas”, en cuanto a su función cortadora del ADN, aunque sí conservan su función de unirse al ADN. Y a continuación, a estas proteínas dCAS en vez de con ARN, se les carga con factores de transcripción o de silenciamiento de los genes, que normalmente son otras proteínas.
Al final, lo que tenemos son construcciones biotecnológicas que permiten activar o desactivar de forma dirigida los genes de las células u organismos eucarióticos sin necesidad de cortarlos y eliminarlos. Con ello, se pueden conseguir objetivos como obtener organismos de interés en agricultura y ganadería, o curar enfermedades en la especie humana.
Conclusión
Una vez que se resuelvan todos los problemas para que estas dCAS accedan bien a los genes eucarióticos -ahora se están utilizando adenovirus como vectores- y que activen o silencien los genes diana de forma estable, esta modificación de la CRISPR-CAS se puede convertir en una herramienta biotecnológica aún más poderosa de lo que ya es para la investigación básica y aplicada.
Quizás, con todo ello también se consiga que investigadoras como Charpentier y Doudna y/o otros, además del premio Princesa de Asturias, consigan el Premio Nobel, y también que se recuerde que fue un científico español, el Dr. Francisco M. Mojica de la Universidad de Alicante, el que descubrió el sistema CRISPR-CAS [1] de las bacterias sobre el que se ha desarrollado toda esta historia.
Manuel Ruiz Rejón
Universidad de Granada / Universidad Autónoma de Madrid
Referencias
[1] Mojica et al. 1995. Long stretches of short tandem repeats…Mol Microbiol.17(1):85-93. La primera vez que Mojica et al. ponen de manifiesto la base molecular del sistema CRISPR.
[2] Mojica et al. 2000. Biological signiphicance of regularly spaced repeats in the genomes of Archea, Bacteria and Mitochondria. Mol Microbiol. 36(1):244-6. Donde se aclara el papel del sistema como mecanismo de inmunidad adquirida de las bacterias.
[3] Lander E.S. 2016. The héroes of CRISPR.Cell 164(2): 18-28. Recientemente publicado en una de las revistas más prestigiosas del mundo y por uno de los científicos americanos más importantes reconoce sin ninguna duda el papel de pionero en este campo del Dr. Mojica.
[4] Eisen M. 2016. The villain of CRISPR. Publicado en el blog “IT is not Junk”. En este artículo suscitado por el anterior se ponen en duda algunas de las conclusiones de E. Lander sobre la “historia” de los descubrimientos en torno al sistema CRISPR-CAS. Pero en ningún caso se discute el papel del Dr. Mojica, del que se incluso se habla explícitamente de su candidatura al Nobel.
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