La edición genética CRISPR: cada vez más cerca de casa

A principios de este siglo, los microbiólogos de Danisco USA Inc. tenían un problema: las bacterias que usaban para hacer yogur y queso se estaban infectando con virus. Investigando más en profundidad, los científicos descubrieron que algunas bacterias tenían un sistema de defensa para luchar contra estos invasores virales.

Estas bacterias resistentes a los virus portaban colecciones extrañas y repetitivas de letras de ADN en sus cromosomas —fragmentos de ADN de sus encuentros con virus antiguos que los microbios habían “guardado” en sus propios genomas—. Era una forma de memoria molecular similar a la manera en que nuestro propio sistema inmunitario recuerda a los invasores para producir anticuerpos contra una infección recurrente.

En este caso, el sistema inmunitario de los microbios, denominado CRISPR-Cas, o de manera más informal, simplemente CRISPR, destruye cualquier genoma viral que coincida con las secuencias guardadas en sus bancos de memoria molecular.

Los fabricantes de yogur no buscaban la próxima gran herramienta de la biotecnología. Solo querían conservar los productos en sus tinajas. Pero otros científicos pronto se dieron cuenta del valor potencial de CRISPR para sus propios diseños: con algunas modificaciones, CRISPR les permitió cortar cualquier secuencia genética que quisieran, lo que facilitó enormemente el desafío de la ingeniería genética.

Los sistemas CRISPR han arrasado en el mundo de la biotecnología, obteniendo un Premio Nobel y dando inicio a una nueva era de terapia génica. En diciembre de 2023, la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. (FDA, por sus siglas en inglés) aprobó el primer tratamiento de modificación genética basado en CRISPR: una nueva terapia génica para la anemia de células falciformes, que es un trastorno sanguíneo muy doloroso.

“Ha sido revolucionario para la investigación”, dice Kevin Esvelt, ingeniero evolutivo del Media Lab del MIT, en Cambridge, Massachusetts. “Está acelerando toda la biotecnología”.

Desde que los científicos descubrieron CRISPR ha habido una pregunta persistente: ¿también hay sistemas similares de alteración de genes en animales, plantas y hongos — formas de vida conocidas como eucariotas, definidas por tener un núcleo en el que almacenan su material genético?

La respuesta, ahora, es un sí definitivo, según un artículo publicado en junio de 2023 en la revista Nature, escrito por el biólogo molecular Feng Zhang y sus colegas del Instituto Broad del MIT y Harvard, en Cambridge, Massachusetts. El equipo encontró fragmentos de ADN similares a CRISPR llamados Fanzors en una extraña colección de criaturas eucariotas, que incluía hongos, algas, amebas y una almeja llamada quahog del norte (o almeja americana).

Los investigadores elogiaron el hallazgo como una fascinante adición al árbol genealógico de CRISPR. Y el descubrimiento generó más preguntas: ¿Qué están haciendo los Fanzors? ¿Pueden también causar sensación en la biotecnología? ¿Y podrían los Fanzors y CRISPR ser la punta del iceberg de sistemas de corte de ADN en espera de ser descubiertos?

A continuación, algo de lo que sabemos sobre los sistemas microbianos CRISPR y los Fanzors que surgieron recientemente.

¿Qué es CRISPR?

Cortar el ADN en pedazos no es gran cosa. El truco especial que añaden los sistemas CRISPR es hacer esos cortes solo en puntos precisos y específicos. Esto requiere dos elementos: uno es una guía para enfocarse en esa ubicación particular, que es un pequeño trozo de ARN que coincide con la secuencia de ADN objetivo. El otro elemento es una proteína, una enzima que actúe como las “tijeras”. Los microbios han desarrollado un puñado de enzimas de tijera que hacen ese corte, y que reciben nombres como Cas9 y Cas12.

Cuando son infectados por virus, los microbios recolectan pequeños fragmentos de las secuencias genéticas virales y los guardan juntos en un segmento de su genoma llamado repeticiones CRISPR. La próxima vez que aparezca ese virus, el microbio podrá utilizar esas secuencias para crear los ARN guía. Luego puede emplear las tijeras enzimáticas para cortar el material genético del virus y defenderse.

Aproximadamente la mitad de las bacterias conocidas, así como la mayoría de los otros microbios conocidos como arqueas, tienen sistemas CRISPR-Cas. Curiosamente, incluso algunos virus han adoptado la maquinaria CRISPR-Cas para luchar contra los microbios. Entonces, hasta el nuevo estudio, los eucariotas eran el único grupo totalmente excluido de toda esta diversión.

¿Qué ofrece CRISPR a la biotecnología?

Cada organismo vivo utiliza el mismo código de ADN básico y las mismas proteínas, por lo que, en teoría, el sistema CRISPR-Cas puede funcionar en cualquier organismo en el que los científicos lo coloquen —aunque en la realidad, generalmente, se requieren algunos ajustes—.

La aplicación más sencilla es eliminar el ADN no deseado. Una vez que la enzima Cas corta un gen objetivo, la célula volverá a unir el ADN, pero de manera imperfecta, creando un gen dañado. Para algunas aplicaciones, todo lo que se necesita es dañar un gen, y es un posible enfoque para la terapia génica de células falciformes.

La anemia de células falciformes ocurre cuando el cuerpo tiene genes defectuosos para la proteína sanguínea hemoglobina. Pero el cuerpo también tiene un gen de hemoglobina separado que solo utilizan los fetos. Los científicos quieren reactivar la hemoglobina fetal que sí funciona en células sanguíneas adultas. Hay otro gen, BCL11A, que mantiene desactivado el gen de la hemoglobina fetal. El nuevo tratamiento aprobado por la FDA usa CRISPR para hacer que el BCL11A deje de funcionar, lo que permite que la hemoglobina fetal funcional vuelva a actuar en las células adultas. La FDA también aprobó, en enero de 2024, este tratamiento para el trastorno sanguíneo beta talasemia.

Utilizando algunos trucos moleculares adicionales, los investigadores también pueden emplear CRISPR para agregar una secuencia genética nueva o reparar un gen dañado.

Los científicos también están probando terapias basadas en CRISPR-Cas para tratar la diabetes; una forma de amiloidosis; infecciones entre las que se incluye el VIH; y una variedad de cáncer. Y eso no es todo. Los investigadores están aplicando CRISPR para convertir a los cerdos en posibles donantes de órganos para las personas, para crear frutas de mejor calidad y resistentes a enfermedades y para erradicar los mosquitos que transmiten la malaria.

Hay desventajas. Romper una hebra de ADN en las personas es una tarea arriesgada: si Cas corta en el lugar equivocado o el proceso de reparación sale mal, la terapia podría cambiar el genoma de una manera que desencadene el cáncer. Por lo tanto, muchos enfoques modernos basados en CRISPR utilizan versiones modificadas de la proteína Cas que no cortan completamente el ADN, sino que lo editan de forma más sutil y segura.

¿Cómo se descubrió Fanzor?

Fanzor ha estado “oculto a plena vista”, dice David J. Segal, genetista de la UC Davis que escribió sobre la nueva era de la ingeniería genómica para el Annual Review of Genomics and Human Genetics en 2013. Los genes Fanzor se describieron por primera vez ese mismo año, pero nadie sabía que codificaban una enzima similar a Cas.

Weidong Bao, científico del Instituto de Investigación de Información Genética, en Cupertino, California, fue coautor del estudio Fanzor de 2013. Él y su colega no buscaban tijeras para ADN; estaban interesados en lo que comúnmente se llaman “genes saltadores”. Estas secuencias de ADN pueden saltar de un lugar del genoma y reinsertarse en otro lugar. Los ejemplos más famosos de estos elementos, conocidos formalmente como transposones, son los genes saltadores que controlan el color del grano en el maíz —trabajo que llevó a la genetista Barbara McClintock a ganar el Premio Nobel—. De hecho, aproximadamente la mitad del genoma humano está formado por transposones, pero a no hay que preocuparse: la mayoría ya no son saltadores.

Bao sabía que los genes saltadores bacterianos a menudo contienen un gen de función desconocida llamado TnpB. Buscó genes similares y los encontró en los genomas de más de dos docenas de eucariotas, entre ellos una mosca, levaduras y mohos, amebas y varias algas. En lugar de TnpB, los investigadores denominaron Fanzor a la versión eucariota de este misterioso gen.

En un estudio de 2021, Zhang y sus colegas también se encontraron con Fanzor. Estaban construyendo un árbol genealógico CRISPR-Cas, que mostraba cómo habían evolucionado estos sistemas de corte guiados por ARN, por lo que escanearon genes y proteínas de diversos organismos en busca de componentes similares. Así hallaron que Fanzor es primo de los genes bacterianos Cas y que ambas familias de genes descendían de TnpB.

¿Están los genes Fanzor implicados en el corte del ADN como los sistemas CRISPR-Cas?

Zhang y sus colegas razonaron que si los genes Fanzor y los genes Cas hallados en los sistemas CRISPR son primos perdidos hace mucho tiempo, entonces los genes Fanzor también podrían transportar instrucciones para una proteína que puede cortar el ADN. Siguiendo esa hipótesis, la proteína Fanzor también podría utilizar guías de ARN para encontrar y cortar una secuencia de ADN específica.

Así que lo probaron dejando libres a los genes Fanzor en placas con células de riñón humano. Los genes fueron traducidos para producir proteínas Fanzor. Luego, los científicos introdujeron ARN guía en estas proteínas Fanzor y las dejaron reposar durante tres días. Si la proteína Fanzor fuera una enzima que corta el ADN, la célula volvería a unir el ADN, pero de manera imperfecta, creando supresiones o inserciones extrañas en los sitios que coinciden con los ARN guía. Eso es justo lo que encontró el equipo.

Sí, Fanzor era una auténtica enzima cortadora de ADN guiada por ARN.

¿Complementará o reemplazará Fanzor a CRISPR-Cas en la biotecnología?

Cortar un puñado de genes en placas de laboratorio está muy lejos de ser la próxima gran herramienta de la biotecnología. Hasta ahora, lo mejor que ha podido hacer el equipo de Zhang es cortar el sitio del gen objetivo el 18,4 % de las veces, y ni siquiera han intentado reparar un gen defectuoso con Fanzor. Eso no es tan bueno como CRISPR-Cas, que tiene a su favor la cantidad de años que los científicos han dedicado a optimizar el sistema.

Una ventaja potencial de Fanzor sobre CRISPR-Cas es su diminuto tamaño. La enzima Cas, más un ARN guía y potencialmente otros elementos necesarios, es mucho para entregar a una célula que se desea modificar. A menudo, los científicos introducen esos ingredientes en un virus benigno para su distribución, pero no todos los componentes caben en los virus más usados. La enzima Fanzor, más pequeña, se adapta mejor. Aun así, los científicos ya han diseñado versiones en miniatura de las enzimas Cas12 y Cas 13 que pueden caber en los virus. Entonces, en esto, hay un pequeño empate entre los dos mecanismos.

Y hay una desventaja potencial para la ingeniería genética con Fanzor, dice Esvelt. Los sistemas CRISPR-Cas en general requieren que el ARN guía coincida con una secuencia de ADN que tiene entre 18 y 20 letras genéticas, o bases, de longitud. Lo más probable, calcula Esvelt, es que no haya más de una alineación perfecta en un genoma. Eso significa que es poco probable que la enzima Cas corte el genoma en cualquier lugar excepto en el sitio objetivo —una buena noticia para una terapia génica segura—. Pero Fanzor hace una coincidencia con solo 15 bases de ADN.

Hay muchas más posibilidades, dice Esvelt, de que la secuencia más pequeña se repita varias veces en un genoma. Entonces Fanzor cortaría el sitio objetivo, pero también otros sitios idénticos, lo que podría significar un desastre para la terapia génica. En este punto, la ventaja es para CRISPR-Cas.

El hecho es que CRISPR funciona “muy bien en la mayoría de los organismos”, dice Sophien Kamoun, fitopatóloga del Laboratorio Sainsbury en Norwich, Reino Unido, que ha analizado el uso de CRISPR para diseñar plantas de cultivo. Pero Fanzor aún podría ser útil para los científicos que trabajan con ciertas bacterias donde las enzimas Cas son tóxicas, sugiere Kamoun.

Entonces, en general, no hay razón para que la mayoría de los laboratorios CRISPR-Cas decida cambiar a Fanzor. “Prefiero utilizar lo que sabemos”, dice Segal, que trabaja en tratamientos para trastornos del neurodesarrollo. “Hay suficiente misterio en lo que hago, así que no necesito preocuparme por usar una nueva enzima”.

¿Qué hacen los sistemas Fanzor de forma natural?

Aun así, Fanzor es un descubrimiento biológico genial. “Es fascinante que existan sistemas similares a CRISPR en tantos reinos de la vida”, dice Esvelt.

Si bien sabemos qué hacen los sistemas CRISPR-Cas para los microbios, no está claro exactamente qué hacen las proteínas Fanzor en la naturaleza. Los investigadores creen que de alguna manera están asociadas a transposones —tal vez ayudándolos o quizás dándoles un aventón—.

Una posibilidad que el grupo Zhang ha considerado es que Fanzor pueda crear un sistema de defensa para los transposones. Después de todo, un fragmento de ADN que puede entrar y salir del genoma, alterando el ADN cada vez que lo hace, normalmente no es bueno para una célula, por lo que las células podrían defenderse. Esa defensa hipotética basada en Fanzor podría funcionar así: un transposón saltaría a puntos del genoma que tienen la misma secuencia genética que la que le gusta cortar al Fanzor asociado. Al saltar a ese sitio, el transposón destruye el sitio objetivo de Fanzor, protegiendo al genoma de la célula de ser cortado.

Pero si la célula eliminara el transposón, recrearía el sitio objetivo de Fanzor, haciendo que su genoma volviera a ser vulnerable a la acción de corte de Fanzor.

En esencia, especula Zhang, el transposón le estaría diciendo a la célula: “Si te deshaces de mí, iré a otro lugar, crearé la enzima Fanzor y regresaré para cortar el sitio del que me echaste”. Mejor entonces dejar el transposón donde está.

Sin embargo, esa es solo una posibilidad.

Un organismo que no tiene Fanzors de forma natural, dice Zhang, son los humanos. Pero sigue siendo posible que las personas tengan algún otro sistema de corte de ADN similar en la familia Fanzor-Cas. El grupo de Zhang está buscando activamente otros sistemas de corte similares. “Estamos tratando de descubrir tantos como sea posible”, dice.

Artículo traducido por Daniela Hirschfeld