Este 2020 las ganadoras del Premio Nobel de Química fueron dos mujeres que contribuyeron a transformar la investigación genética de manera inimaginada. Se trata de la microbióloga Emmanuelle Charspentier, de la institución Max Planck, y la química Jennifer A. Doudna, de la Universidad de California, Berkeley. Estas dos científicas desarrollaron un método que se considera una revolución en el campo científico: la técnica CRISPR, un mecanismo de edición del genoma humano.
Su descubrimiento va de ser una revolucionaria técnica de edición genética en pro de un beneficio para muchos sectores hasta los debates éticos y controversias que ha generado cuando se habla de aplicarla a humanos. Desde hace mucho tiempo se ha debatido los problemas éticos asociados a la modificación genética en humanos. Hasta hace pocos años, la conversación era netamente hipotética. No obstante, con la llegada del CRISPR, lo hipotético pasó a ser una posibilidad. Así que el debate ético adquiere más importancia que nunca.
Pero ¿qué es la técnica CRISPR?, ¿cómo funciona?, ¿cuáles serían sus aplicaciones?, ¿qué debates éticos conlleva su uso en humanos? Sobre todo esto y más hablaremos en este artículo de Futuro Eléctrico.
Lo impensable se ha convertido concebible. Estamos tan cerca que tenemos que decidir cómo vamos a utilizar esta capacidad.
David Baltimore
Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1975
Tabla de contenidos
¿Qué es la técnica CRISPR?
El genoma humano, la secuencia del ADN, es el recipiente de la información codificada de las proteínas que programan nuestro cuerpo. Se compone de 23 pares de cromosomas con cuatro bases identificadas por las letras A, T, C, G, que contienen cerca de 28 000 genes. Es decir, el genoma humano nos permite leer y comprender cómo se programa nuestro cuerpo.
Con la técnica CRISPR–Cas9 no solo se puede leer el genoma humano, también brinda las herramientas para editarlo con sencillez. Su potencial y aplicaciones son tan variados que podría curar determinadas enfermedades, como el cáncer.
¿En qué consiste? Hace 30 años se observó por primera vez. Investigadores de la Universidad de Osaka notaron una serie de secuencias de ADN cortas y repetidas al estudiar los genes de Escherichia Coli. En los años siguientes, estas secuencias continuaron siendo notadas por diferentes científicos en microbios. En 2002, estas estructuras recibieron un nombre: CRISPR (siglas que en español es «repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas»).
Los estudios continuaron, y se conoció que CRISPR forma parte de los sistemas inmunológicos de las bacterias. Este sistema es resultado de los procesos de defensa contra virus invasores. Cuando el virus ingresa a la bacteria, esta busca cortar el ADN del agresor para matarlo. Al lograrlo, almacena una parte del ADN restante, que funciona como una huella dactilar en una base de datos.
Si la bacteria vuelve a ser atacada por un virus, produce una enzima llamada Cas9, que lee «las huellas» almacenadas por el organismo. Si encuentra una correspondencia con el nuevo invasor, el Cas9 podrá cortar el ADN del invasor.
¿En qué consiste la técnica CRISPR-Cas9?
La tecnología CRISPR–Cas9 aprendió de este sistema de defensa para crear una herramienta molecular que «edite» o «corrija» el genoma de cualquier célula. De ahí que esta técnica sea conocida como las «tijeras genéticas». La descripción más común es que actúa como unas tijeras moleculares capaces de cortar moléculas de ADN de manera precisa y controlada. Al cortar el ADN, se abre la puerta a su modificación, eliminando o agregando otras moléculas.
Esta técnica ha contribuido a impulsar la investigación sobre enfermedades hereditarias. Especialmente, se han hecho pruebas con ratones vivos para tratar la enfermedad de Huntington. Incluso se encontraron hallazgos de mejora en el comportamiento del mamífero al ser tratado con la técnica CRISPR–Cas9.
Siguiendo esta línea, en la enfermedad de Huntington los nucleótidos CAG se repiten una y otra vez innecesariamente. Con la técnica CRISPR se puede editar y borrar todas las repeticiones innecesarias CAG. Para lograrlo, debe arreglar los genes a escala microscópica. Uno a uno debe localizar y cortar los códigos defectuosos.
En este proceso se requieren dos componentes: un ARN guía y la enzima Cas9. El primero guía y encuentra la parte defectuosa, presentándose justo en el ADN. El segundo corta el error. ¿Qué parte diseñan los científicos? El ARN guía específico para que la enzima pueda hacer su trabajo.
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Historia de la técnica CRISPR–Cas9
Fue en 1987 cuando se identificó, por vez primera, el sistema CRISPR. El investigador japonés Yoshizumi Ishino mencionó la existencia de secuencias repetidas palindrómicas en el ADN de las bacterias. En ese momento, publicó un artículo sobre cómo algunas bacterias se defendían de las infecciones víricas. Estas tienen unas enzimas que pueden distinguir entre el material genético de la bacteria y el del virus; de esta forma podían destruir al virus.
Sin embargo, no fue sino hasta 1993 que comenzó a conocerse las bases de este mecanismo. El investigador español Francisco Martínez Mojica estaba investigando bacterias arqueas halófilas, que pueden vivir en medio de concentraciones de sales extremadamente elevadas. El científico identificó secuencias de ADN que se repetían y que se separaban por espaciadores heterogéneos. En el año 2000, tras navegar por bases de datos, descubrió que en otras investigaciones se habían encontrado otros casos de estas secuencias. Fue en 2002 cuando sugirió un nombre para estos trozos de ADN repetidos: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR.
Sin embargo, solo hasta 2005 se empezó a identificar cómo CRISPR se vinculaba con la inmunidad de los virus. Con análisis bioinformáticos, se comprobó que había secuencias de ADN viral en las secciones repetidas de ADN, como si las bacterias hubieran tomado parte del código genético del virus.
Invención de la técnica CRISPR
La investigación sobre el comportamiento de CRISPR y Cas9 continuaron durante años, añadiendo nuevos conocimientos sobre el sistema inmune bacteriano. Es en 2012 cuando Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier convierten esta observación biológica en una herramienta molecular. Las investigadoras demostraron cómo utilizar el CRISPR como herramienta de edición programable, de manera que corte cualquier cadena de ADN in vitro. Ellas descubrieron cómo programar el sistema para dirigirlo a una posición específica del ADN; pasado en la proteína Cas9.
Las científicas descubrieron que no solo se podía corregir pequeños errores en el ADN, sino que se podían invertir o insertar genes y hacer múltiples cambios de genes. Desde entonces la técnica CRISPR-Cas9 se ha utilizado para la edición del genoma en células eucariotas, ratones (en pruebas para revertir síntomas de enfermedades), monos y otros organismos celulares. Asimismo, comenzaron a evaluar la eficacia del método en células humanas.
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Cómo funciona la técnica CRISPR
Como ya se explicó, la tecnología CRISPR es resultado del estudio del genoma de las bacterias y sus procesos de defensa. El CRISPR hace referencia a los segmentos cortos de ADN espaciador que se repiten en la cadena como resultado de las exposiciones a virus. Cerca de estas repeticiones se encontrarán los genes CAS. El CRISPR, entonces, es un sistema de defensa y un sistema de almacenamiento. Un sistema para evitar el ataque de los virus, que, además, almacena su información para las próximas generaciones dentro de su propio ADN.
El funcionamiento de la técnica CRISPR-Cas9 es muy similar. Se basa en el apareamiento entre el ADN y el ARN, aprovechando la proteína Cas. Y consiste en dos etapas.
Primera etapa
En la primera parte, se asocia el ARN guía (que guiará al punto exacto del genoma a cortar) con la enzima Cas9 (las tijeras). El ARN guía es específico para una secuencia del ADN; por lo tanto, al inyectarse en la célula, se hibridará con dicha secuencia debido a la complementariedad de nucleótidos.
Una vez el ARN se hibride con la secuencia a corregir, comenzará a actuar el Cas9. El Cas9 es una enzima endonucleasa capaz de romper la cadena de ácidos nucleicos. Esta enzima estará vinculada al ARN, por lo que lo buscará dentro de la célula para ejecutar su función, cortar la secuencia. En otras palabras, el ARN será la señal que lleve al Cas9 a su destino.
Segunda etapa
En la segunda etapa, el ADN cortado se repara. Esto se da por medio de dos mecanismos. El primero de los mecanismos es Indel (inserción-deleción), que hace que cuando aparezca un hueco en el ADN se inserte un trozo de la cadena. De esta manera, se pierde la función del trozo de ADN cortado.
El segundo mecanismo es la reparación por combinación homóloga, más preciso que el anterior. Este vuelve a combinar la secuencia del ADN y permite realizar cambios en el genoma. Es decir, podemos darle a la célula la secuencia que queramos.
Límites de la tecnología CRISPR-Cas9
A pesar de su precisión y su facilidad de uso, la técnica no está exenta de limitaciones y posibilidades de error. Mencionamos algunas de las más importantes.
- Puede generar errores en el corte de ADN: La posibilidad de cortes en genes no deseados es posible, pues el ARN puede encontrar genes similares a su blanco y cortarlos.
- Mutaciones en otros genes: Un corte no intencionado puede causar mutaciones en otros genes; aunque también puede no generar más efectos.
- Especificidad de alelo: También se debe garantizar que se elimine solo la copia mutada del gen y no la sana.
- Seguridad a corto plazo: Se debe asegurar que al eliminar una parte de un gen, sobre todo de una enfermedad, no se generen nuevos problemas.
- Formación de genes aleatoria: Aunque la técnica CRISPR–Cas9 permita tener una gran precisión, la formación del gen es muy aleatoria, por lo que puede que el gen no quede completamente inactivado.
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Ventajas de la técnica CRISPR
La técnica CRISPR tiene interesantes ventajas frente a otras técnicas de edición genética. Para comenzar, el sistema permite encontrar y cortar cualquier gen escogido con absoluta precisión. Es una técnica precisa y confiable que se puede usar con mucha facilidad. Esto último es también un diferenciador importante frente a otras técnicas de edición genética. Aunque otras técnicas permiten editar el genoma, ninguna con tanta facilidad y precio cómodo como con CRISPR.
En el caso de las otras herramientas hay que introducir múltiples modificaciones en la secuencia de proteínas, un trabajo arduo y caro, mientras que en el caso de CRISPR solo hay que sintetizar una pequeña molécula de ARN guía, barata y fácil de diseñar, y mientras que la proteína Cas9 se utiliza tal cual.
Francisco Martínez Mojica.
La ventaja del precio se debe a que no es necesario generar dominios proteicos para interaccionar con el ADN. Al simplificar el proceso, también se simplifica la cantidad de elementos que intervienen en la edición genética. Por lo tanto, desde 65 € se puede comprar un kit de técnica CRISPR-Cas.
Otra de las ventajas de esta tecnología es que permite editar varias regiones del genoma al mismo tiempo por medio de varios ARN aplicados en distintas partes del ADN. Asimismo, puede aplicarse en distintos tipos de genes, desde levadura hasta células cultivadas de ratón o humanos.
¿Cuáles serían las aplicaciones de CRISPR?
La tecnología CRISPR-Cas9 tiene numerosas aplicaciones en diferentes campos: desde la medicina hasta la alimentación. Ofrece la posibilidad de tratar enfermedades antes de que se manifieste, contribuir a reducir enfermedades como la malaria y revivir especies extintas. Las posibilidades parecen ampliarse con cada nueva investigación.
Medicina
Con la técnica CRISPR-Cas se podrá desarrollar la terapia génica. Es decir, se podría identificar, corregir, reemplazar o eliminar los genes responsables de alteraciones genéticas. De esta forma se permitiría la prevención de enfermedades hereditarias monogénicas. Eso sí, solo de enfermedades resultado de una o más mutaciones de un único gen. Esto tendría aplicación en procesos cancerígenos; enfermedades neurológicas, como el Parkinson o el Alzheimer; y otras enfermedades heredadas, como la anemia o la fibrosis quística.
Pero no solo trataría enfermedades hereditarias. También podría crear modelos de enfermedades, lo que permitiría entender mejor las patologías y su desarrollo. Y con una mejor comprensión, se pueden desarrollar mejores opciones de tratamiento. Por ejemplo, en China se investiga un tratamiento de cáncer con la modificación de células T. Estas células son claves en el sistema inmunológico de los humanos. Las investigaciones implican usar la técnica CRISPR para borrar un gen que actúa como freno en el sistema inmunológico para reintroducir las células T en los pacientes y ayudarlos a combatir el cáncer.
En este campo ya se han logrado otros avances. Por ejemplo, los ingenieros del MIT trabajan para que las superbacterias —o bacterias resistentes a antibióticos— se conviertan en un arma contra sí mismas. Por otra parte, investigadores de Rockerfeller University están trabajando para crear antibióticos más inteligentes; antimicrobianos selectivos que se dirijan únicamente a las bacterias malas. Otro de los avances proviene de la Escuela de Medicina de la Universidad de Harvard. Ellos lograron eliminar genes dañinos de cerdos para poder trasplantar sus órganos a las personas.
Adicionalmente, se habla de utilizar la técnica CRISPR para garantizar que ciertas características genéticas pasen de padres a hijos. No obstante, por el momento no hay ninguna técnica génica CRISPR que esté aprobada para el uso en humanos.
Agricultura
La tecnología CRISPR tiene muchas aplicaciones dentro de la agricultura. Se puede utilizar para combatir las enfermedades que atacan a las plantas y los animales; o mejorar a estos organismos para que nos aporten más beneficios con el consumo.
Para ello, se están realizando mejoras que ayuden a reducir las enfermedades que los atacan; y mejorar su producción. De esta forma, se busca reducir el uso de químicos como fertilizantes para que las plantas y los productos sean más saludables.
Por ejemplo, el investigador Gao Caixia está buscando crear una cepa de trigo resistente a la enfermedad de oídio. Esta cepa se caracterizaría por la ausencia del genoma hexaploide del trigo, que reprime las defensas contra el oídio. Con esta nueva cepa, se espera reducir o eliminar el uso de funguicidas.
La edición genética también permitiría evitar que los champiñones se vuelvan marrones, lograr que algunas razas de ganado no tengan cuerdos, gallinas que pongan huevos hipoalergénicos o cerdos con mutaciones especiales que los hagan resistentes a los virus. Asimismo, se podrían producir cultivos genéticamente modificados con mejor producción por medio de métodos menos invasivos.
También se está trabajando para producir alimentos que no se vean afectados por los virus. Por ejemplo, el Streptococcus thermophilus es una bacteria que se utiliza desde principios del siglo XX en la elaboración de quesos y yogur. Estas bacterias son atacadas con frecuencia por virus bacteriófagos que pueden arruinar por completo la producción de estos alimentos. Con investigaciones con la técnica CRISPR, se ha encontrado solución a esta situación.
Animales
Una de las aplicaciones que más ha llamado la atención es que la técnica CRIPR-Cas9 puede utilizarse para propagar ciertos rasgos artificiales en poblaciones de animales silvestres.
Científicos de la Universidad de California presentaron mosquitos genéticamente modificados para que no puedan transmitir la enfermedad de la malaria. El objetivo de esta aplicación es liberarlos en zonas donde la malaria es endémica para que se reproduzcan con mosquitos silvestres. Así, se transmitiría el gen de la resistencia a la infección y se lograría que los casos de malaria se reduzcan enormemente.
También se ha hablado de producir mosquitos con infertilidad femenina, de manera que se reproduzcan con otros mosquitos que diseminen la infertilidad. De esta manera, ciertas especies y poblaciones desaparecerían al evitar su reproducción. El concepto se ha producido ya en laboratorios aislados.
Adicionalmente, se habla de aplicaciones que parecen insospechadas, por ejemplo, esta misma técnica se utilizaría para revivir especies extintas. En vez de editar genes, se podrían revivir organismos extintos hace mucho tiempo. No sería en el caso de dinosaurios, pues su ADN desapareció hace mucho tiempo, pero podría aplicar para el mamut.
Con tejidos congelados bien preservados se ha logrado descifrar la secuencia del genoma del mamut para compararlo con el del elefante actual. Tras este proceso, el científico George Chruch están usando la técnica CRISPR para convertir los genes del elefante en los de mamuts.
Edición genética con técnica CRISPR: controversias y debates éticos
Por el momento, gran parte de las investigaciones se centran en usar la técnica CRISPR para tratar a pacientes que conviven con enfermedades. Esto sigue la línea del comité de ética de la Unesco, que en 2015 presentó una moratoria para no aplicar la edición genética a óvulos, espermatozoides y embriones humanos. Esto significa que se está evitando cambiar la reserva genética de los humanos. Se considera irresponsable cambiarla al no tener un consenso sobre la seguridad, eficacia y regulación. Sin contar los temas sociales que jugarían un rol importante en este escenario.
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El debate parte del desconocimiento sobre los efectos de la modificación de la línea germinal, que son extraordinariamente incompletos. Cuando hablamos de la corrección de enfermedades hereditarias, se habla de que es una opción justificable y muy probable. Sin embargo, al ser una técnica tan nueva no tenemos ninguna experiencia sobre cuáles podrían ser las consecuencias a largo plazo si el gen corregido se transmite a los descendientes. Los efectos podrían ser impredecibles.
Por supuesto, aquí también entra a jugar la definición de «organismo genéticamente modificado». Si con la técnica CRISPR se cambia un gen en un solo lugar, ¿se considera modificado o es solo una variante de su acervo génico?
Además, se debe considerar qué pasará en los ecosistemas cuando especies de animales modificadas genéticamente se liberen junto a la fauna silvestre. ¿Representará esto una amenaza a su equilibrio natural? ¿Podría saltar el material genético modificado a otras especies?
Bebés de diseño
Cuando se habla de edición genética, se empieza hablando de corregir y evitar enfermedades y defectos genéticos. Y aquí empiezan a surgir las controversias. ¿En qué consiste un defecto genético? La definición de «defecto genético» ha sido postergada una y otra vez por los científicos. Si esto se mantiene, podríamos llegar al momento en que incluso las variantes genéticas más comunes puedan considerarse defectuosas. Es decir, sin esta definición podríamos llegar al «bebé de diseño» solamente hablando de curación de la línea germinal.
El «bebé de diseño» es fuerte objeto de debate. La capacidad de seleccionar genes para aumentar la inteligencia, el estado físico, la fortaleza, y más, nos adentra dentro del turbio terreno de la eugenesia.
En la actualidad, ya hay científicos que exploran el uso de la técnica CRISPR para prevenir enfermedades en pacientes no vivos. Desde 2015 se realizan estudios, uno de ellos fue en China, cuando se publicó un estudio de edición genética de precisión a embriones humanos. Desde entonces, se han publicado numerosos estudios del tema.
Esto abre la puerta a distintas preguntas: si se modifica el gen para que un humano no desarrolle una enfermedad, ¿cómo cambará la percepción de la sociedad frente a los individuos con la enfermedad?, ¿cómo cambiará el acceso a los tratamientos?, ¿serán de manera igualitaria?
Asimismo, surgen una infinidad de preguntas sobre cada aspecto de la edición genética: desde los efectos segundarios de la modificación en seres vivos y el acceso a la misma; hasta los «bebés de diseño» y la posibilidad de efectos segundarios inesperados en nuevas generaciones.
Palabras finales
La tecnología CRISPR-Cas9 llegó al mundo para revolucionar el campo científico. Todas las semanas se publican nuevos estudios donde se destacan sus asombrosas posibilidades y aplicaciones. Es muy probable que en las próximas décadas este sistema haya influido en nuestra comida, en los medicamentos e, incluso, el mundo natural.
La técnica CRISPR-Cas9 también continúa en constante evolución. Sin embargo, es importante que antes de que esta tecnología siga avanzando y sus aplicaciones multiplicándose se resuelvan las cuestiones éticas que surgen de la modificación genética. Nos encontramos con una manera «reescribir el código de la vida», es decir, una forma de controlar la dirección a la que va la vida y la humanidad. ¿Cómo la usaremos?
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