por Constanze Kindel
Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna han dado el que probablemente sea el paso más importante en la investigación genética de los últimos años. Descubrieron un mecanismo con el que el genoma se puede cambiar de manera más específica que nunca y desarrollaron unas tijeras genéticas altamente efectivas a partir de él. Por ello, los dos investigadores han sido galardonados con el Premio Nobel de Química. ¿Cómo funciona Crispr / Cas9? ¿Y qué opciones ofrece el proceso?
Descubrimiento, eso suena demasiado aleatorio. Tan fatídico, tan involuntario. No lo que realmente es una investigación como la suya: pruébela, resuélvala: una búsqueda ardua y metódica con un resultado incierto, tras la pista de una sospecha. Un enfoque que amplía los límites del conocimiento paso a paso. Entonces descubrimiento: Emmanuelle Charpentier cree que el término realmente no encaja. "No buscas algo y lo encuentras de repente", explica, "descifras un mecanismo durante meses y años".
La microbióloga francesa ha hablado mucho sobre el mecanismo que ha descifrado en los últimos meses en conferencias en Chicago, Roma y Heidelberg. Ella llama al resultado de su investigación un "cambio de juego".
Game Changer: el punto de inflexión en el juego, el gran lanzamiento que todo cambia. Un gran avance que Emmanuelle Charpentier seguramente traerá el Premio Nobel tarde o temprano.
GEOkompakt No. 54
Nuestra herencia, nuestros genes
01/10/2020
GEOkompakt sobre nuestros genes y la cuestión de por qué somos como somos
Gracias a su investigación, los científicos de todo el mundo pueden intervenir específicamente en el plano de la vida como nunca antes, manipular el material genético, reescribirlo, con un proceso que es comparativamente económico y, por lo general, asombroso funciona rápidamente.
La francesa de 49 años, directora del Instituto Max Planck de Biología de Infecciones en Berlín desde 2015, se ha convertido en una estrella mundial de la ciencia en menos de cinco años.
En agosto de 2012, cuando todavía estaba investigando en la universidad de Umeå, Suecia, publicó un artículo en una revista especializada, de poco más de cinco páginas: "Una endonucleasa de ADN guiada por ARN dual programable en inmunidad bacteriana adaptativa" . Junto con la investigadora estadounidense Jennifer Doudna y otros colegas, describe cómo la bacteria Streptococcus pyogenes se protege de los virus. Este patógeno puede causar escarlatina o amigdalitis purulenta. Pero el propio Streptococcus pyogenes también es vulnerable: por virus.
El sistema con el que la bacteria se defiende de estas infecciones consta, por así decirlo, de dos áreas: archivo y herramienta de corte. En su propio genoma, el organismo unicelular almacena muestras de casi todos los virus con los que él, y sus antepasados, han entrado en contacto, como ayuda para la memoria. En caso de una nueva infección, se activa el sistema de defensa del microbio: comprueba el virus a partir de las muestras archivadas.
El trabajo sobre Streptococcus pyogenes es el preludio de una revolución
Si detecta al intruso, entra en juego la herramienta de corte: una determinada enzima, una especie de herramienta molecular, corta el ADN viral. El sistema de defensa (que los dos investigadores llaman CRISPR-Cas9, según las secuencias de ADN archivadas, CRISPR, y las tijeras de ADN, Cas9) hacen que el patógeno sea inofensivo.
En su ensayo, sin embargo, los científicos no solo explican cómo funciona el mecanismo: también muestran cómo el escudo de defensa se puede convertir en un arma para todo uso. Porque han descubierto que CRISPR-Cas9 (hoy en día en su mayoría simplemente llamado CRISPR) puede ser una especie de herramienta universal para reescribir material genético. Aún más, una tecnología con la que los genes se pueden cambiar de manera específica en bacterias, plantas, animales y personas.
En resumen: el trabajo sobre Streptococcus pyogenes es el preludio de una revolución.
Hace poco más de diez años, nadie en la ciencia sabía nada sobre el papel de este sistema en las bacterias. Hoy en día, aparecen casi a diario nuevos estudios en los que los investigadores presentan los resultados de sus experimentos con CRISPR. En el que informan sobre intentos de producir cacahuetes sin alérgenos, o mosquitos que no pueden transmitir la malaria. Ya se está trabajando para devolver la vida a los animales extintos. O para curar enfermedades para las que antes había pocas esperanzas.
“Empiezas con una idea y piensas que pasarán 30 años antes de que surja algo útil”, dice Charpentier. Y luego, de repente, todo va rápido.
Los investigadores ya están usando CRISPR para modificar el genoma humano
Probablemente no haya otro desarrollo que haya avanzado la ingeniería genética hasta ahora en tan poco tiempo. En términos simplificados, uno puede imaginar la alteración dirigida de secuencias de material genético con CRISPR como editar un archivo de texto en la computadora: el software encuentra cualquier combinación de letras en el documento, en una página, en una línea. Una vez que se ha encontrado la posición relevante, se pueden corregir los errores tipográficos, se pueden borrar, intercambiar o insertar letras o palabras completas.
En el procedimiento CRISPR, la combinación de letras que busca está formada por las moléculas de ADN adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T) - y de tal forma que su secuencia corresponda a la sección de la secuencia de ADN que se va a cambiar.
La enzima, las tijeras de genes reales en el sistema CRISPR, se prepara con la combinación apropiada de letras; en cierto modo, se asemeja a la máscara de búsqueda en el programa de procesamiento de texto. Como regla, ahora se dirige precisamente a esa parte del genoma que se supone que debe encontrar. Luego se une a la sección seleccionada, provocando una ruptura en las dos hebras de la doble hélice de ADN.
Ahora, como en un programa de procesamiento de texto, se puede eliminar un pasaje o insertar una nueva palabra (un gen extraño).
Durante más de 20 años, los biólogos moleculares, en principio, han podido utilizar enzimas para eliminar o reemplazar ciertos genes. Pero los procedimientos fueron costosos y prolongados. Al igual que CRISPR, estas primeras tijeras de genes funcionan con proteínas de corte especiales que se unen a un punto seleccionado en la secuencia de ADN y cortan la doble hebra de ADN allí.
Pero estas proteínas tuvieron que cambiarse laboriosamente para cada uso. Fue necesaria una larga serie de pruebas y errores antes de que la proteína encontrara la ubicación deseada. Cada éxito a menudo cuesta cientos de intentos fallidos. A veces, la herramienta de corte daba un golpe fortuito y las secciones de ADN a menudo se eliminaban en el lugar equivocado. Fue solo con CRISPR que el programa de procesamiento de texto, para permanecer en la imagen, recibió una máscara de búsqueda de trabajo más precisa: generalmente puede ir al punto deseado en el libro con gran precisión.
Con CRISPR, la tecnología ya no es una aplicación altamente especializada, sino en gran medida un proceso estándar. Lo que solía tardar meses o incluso años en funcionar ahora, por lo general, solo lleva días. Casi todos los laboratorios pequeños pueden utilizar el método.
CRISPR ha hecho que la ingeniería genética y la cirugía genética sean más rápidas, más baratas y más eficientes que nunca. Un estudiante de biología con equipo de laboratorio estándar podría usar este sistema para apagar un gen, dice Charpentier. Unos días de trabajo, el material cuesta apenas unos cientos de euros.
Con la tecnología CRISPR, los genes extraños se pueden canalizar con precisión al genoma.
© Soleil Nordic / shutterstock
Descripción de la imagen: para intercambiar genes defectuosos o crear organismos con nuevas propiedades, los investigadores utilizan la técnica CRISPR para insertar material genético extraño (verde) en una sección de ADN (azul). Para que el gen extraño llegue a la posición correcta en la cadena de ADN, se marca con una molécula de reconocimiento. Consiste en la secuencia de letras genética precisa de la ubicación buscada y se adjunta en consecuencia. En el siguiente paso, una enzima, una especie de herramienta molecular (estructura ovalada), atraviesa la hebra de ADN en el mismo punto donde se une la molécula de reconocimiento. Esto crea una brecha en el ADN. Los propios mecanismos de reparación del cuerpo garantizan que la rotura del hilo se vuelva a cerrar. El gen extraño se prepara de tal manera que se inserta automáticamente en el espacio. El gen extraño está en última instancia en el ADN original y puede asumir su función allí.
Las empresas estadounidenses ya están vendiendo kits de construcción CRISPR que incluso los legos pueden usar para probar la tecnología. La empresa californiana "The Odin", por ejemplo, ofrece conjuntos que pueden usarse para intercambiar un gen en ciertas bacterias para que luego puedan crecer en medios especiales de nutrientes.
La puesta en marcha incluso quiere permitir que las personas intervengan en su propio material genético. En una conferencia de biotecnología en San Francisco en octubre de 2017, el fundador de Odin, Josiah Zayner, quien tiene un doctorado en biofísica, se colocó una jeringa en el antebrazo. El contenido, anunció Zayner, apunta a su gen de miostatina, que inhibe el crecimiento muscular en el cuerpo. Será la primera persona en intentar cambiar su propio genoma de esta manera. CRISPR en auto-experimento: músculos más grandes con cirugía genética.
La Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) ya advierte que la venta de productos de terapia génica es ilegal y que existen preocupaciones sobre los riesgos de seguridad asociados.
Muchos problemas médicos importantes parecen resolverse con CRISPR
Pero CRISPR también ha electrificado la ciencia establecida. Instituciones de investigación, universidades y empresas están promoviendo el uso del método. CRISPR ya es muy eficaz para adaptar los animales de granja y los cultivos a las condiciones y necesidades, criar cerdos con un menor porcentaje de grasa corporal o plantas de yuca y trigo inmunes a virus y hongos comunes.
Entre otras cosas, los profesionales médicos quieren utilizar CRISPR para crear mejores modelos animales de sufrimiento humano. Incluso los trastornos mentales complicados como el autismo y la esquizofrenia, en los que un gran número de mutaciones genéticas están implicadas en diferentes combinaciones, podrían volverse más comprensibles y los efectos del tratamiento podrían simularse más fácilmente.
Muchos problemas importantes de la medicina parecen resolverse repentinamente con CRISPR. Por ejemplo, la resistencia a los antibióticos se puede eliminar modificando los virus de tal manera que maten las bacterias: el sistema inmunológico unicelular se vuelve contra sí mismo.
O la falta de donantes de órganos para trasplantes: quizás pronto se puedan criar corazones, pulmones y riñones en cerdos gracias a las tijeras genéticas. Hasta ahora, se han encontrado muchos patógenos en su material genético que se transmiten de los animales progenitores a sus crías. Con la nueva tecnología, los investigadores estadounidenses lograron por primera vez hacer que estos virus fueran inofensivos.
Los primeros estudios CRISPR sobre la terapia del cáncer ya están en marcha en China. A finales de 2016, los investigadores de la Universidad de Sichuan en Chengdu inyectaron células inmunes modificadas genéticamente CRISPR en un paciente que padecía un cáncer de pulmón agresivo por primera vez.
Otro equipo chino pudo utilizar esta técnica para extraer un cromosoma completo por primera vez: la tercera copia excedente del cromosoma 21 de células cultivadas en el laboratorio de una persona con trisomía 21, es decir, síndrome de Down. ¿Sería posible en el futuro curar los embriones en los que se descubrió este defecto en el útero utilizando unas tijeras genéticas? Mucho parece posible.
La Organización Mundial de la Salud estima el número de enfermedades hereditarias causadas por un solo gen defectuoso en más de 10,000. Condiciones como la enfermedad de Huntington, una enfermedad nerviosa en la que el cerebro se enferma progresivamente y provoca trastornos del movimiento, por ejemplo. O distrofia muscular de Duchenne, que paraliza el cuerpo. O anemia de células falciformes, que daña el corazón, los ojos y los riñones, por ejemplo. Estas enfermedades hereditarias monogénicas son el objetivo obvio para el uso de CRISPR en un futuro próximo.
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Pero algunos investigadores quieren más que detener estas enfermedades: quieren apagarlas mucho antes de que puedan estallar, ya en la línea germinal, es decir, en el camino desde el óvulo fertilizado hasta las células germinales del nuevo organismo.
Se supone que la manipulación quirúrgica genética de los óvulos y los espermatozoides libera a los embriones de enfermedades hereditarias. Estas intervenciones también tendrían un efecto sobre la composición genética de las generaciones futuras: si los genes se manipulan en esta etapa más temprana del desarrollo humano, estos cambios se transmiten más tarde, una intervención en la evolución humana.
Éticamente, estas intervenciones son muy controvertidas. Pero difícilmente se pueden prevenir a largo plazo, especialmente porque no existe un consenso mundial sobre el uso de la ingeniería genética y sus límites.
Por ejemplo, un grupo de investigación estadounidense ya ha experimentado con el uso de la tecnología en embriones humanos en una etapa temprana de desarrollo. Con las tijeras genéticas, el equipo corrigió una mutación en el gen MYBPC3 que hace que el músculo cardíaco se engrose: la miocardiopatía hipertrófica, una de las principales causas de muerte súbita en los atletas jóvenes.
Emmanuelle Charpentier dice que está estrictamente en contra de tales intervenciones: nadie debería tocar la línea germinal.
Jennifer Doudna, su colega de descifrado CRISPR, no está tan segura de esta pregunta. Si hubiera una forma de ayudar a las personas con enfermedades hereditarias, ¿estaría permitido no hacerlo? ¿Incluso si no se puede descartar que la tecnología y los deseos en algún momento vayan más allá de las necesidades médicas? ¿Que los padres comienzan a moldear a sus hijos por nacer de acuerdo con sus ideas en términos de tamaño, color de ojos e inteligencia?
Esa es todavía una posibilidad lejana. Además de las consideraciones éticas, todavía existen una serie de posibles riesgos en la forma de usar tijeras genéticas en humanos. Existen dudas sobre la seguridad de la técnica. Y preocupaciones por las consecuencias de su uso.
La ruta de transporte es actualmente una de las dificultades técnicas: para llevar la enzima de corte a su lugar de uso, los biólogos necesitan los llamados transbordadores de genes, virus inofensivos o inactivados artificialmente que transportan moléculas CRISPR a través del torrente sanguíneo hacia el interior de la célula. Pero estos transbordadores de genes virales están alcanzando rápidamente sus límites de lastre. Una alternativa podrían ser los liposomas: diminutas partículas de grasa que se adhieren a las células y liberan su carga dentro de la célula.
El problema de los posibles daños colaterales del método CRISPR también es grave, por ejemplo, si las tijeras de genes fallan en su objetivo y cortan el ADN en otra sección. No se pueden prever las consecuencias de estas roturas imprevistas del ADN. En el peor de los casos, los cambios podrían desencadenar cáncer.
De un vistazo
Las bacterias molde utilizan el mecanismo CRISPR como defensa para cortar el material genético de los virus.
La tecnología Las investigadoras Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna la han utilizado para desarrollar tijeras genéticas para la ciencia.
Gracias a su invención, ahora es más fácil que nunca crear organismos genéticamente modificados o tratar enfermedades hereditarias.
Los médicos estadounidenses que habían corregido el defecto genético en ratones con ceguera congénita con la ayuda de CRISPR encontraron unos 100 cambios importantes y más de 1000 mutaciones puntuales en la composición genética de los ratones que ahora pueden ver, en los que solo un par de bases de Se cambió el ADN.
Sin embargo, es controvertido si las mutaciones fueron el resultado del tratamiento CRISPR, como temían los científicos, o podrían haberse encontrado en el genoma de los ratones antes del experimento: el estudio no hizo una comparación con los ratones de control.
No obstante, un grupo de científicos advirtió en un estudio poco después que las herramientas CRISPR debían adaptarse cuidadosamente al genoma del paciente respectivo para garantizar que la tecnología no fuera mal dirigida por variaciones en el genoma del paciente.
Los investigadores llevan mucho tiempo buscando formas de evitar estos riesgos. Un equipo del Instituto Salk de San Diego, por ejemplo, ha creado una nueva variante de la tecnología CRISPR que evita roturas en el ADN. También se ha desarrollado un proceso nuevo y más controlable en la Universidad de Harvard. Ya han comenzado los primeros estudios clínicos sobre terapia génica con CRISPR.
La empresa "CRISPR Therapeutics", en la que Emmanuelle Charpentier tiene una participación, quiere intentar curar las enfermedades hereditarias beta-talasemia y anemia de células falciformes.
Ambas afecciones son causadas principalmente por mutaciones en un gen que participa en la producción de hemoglobina: un complejo de proteínas que transporta oxígeno en la sangre. El tratamiento está diseñado para reactivar una forma de hemoglobina que se encuentra en los bebés. Se ha solicitado la aprobación.
El hecho de que los primeros estudios clínicos ya hayan comenzado es un récord para los estándares de la investigación médica, ni siquiera seis años después de la primera charla sobre un método de tijeras genéticas novedoso, sencillo y económico.
La revolución de la terapia génica apenas ha comenzado.
Este artículo apareció por primera vez en marzo de 2018 en "GEO compact No. 54 - Our heritage, our genes".
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