Una sencilla guía sobre CRISPR, una de las mayores historias científicas de la década

Una de las mayores y más importantes historias científicas de los últimos años será probablemente también una de las mayores historias científicas de los próximos años. Así que este es un momento tan bueno como cualquier otro para familiarizarse con la nueva y poderosa tecnología de edición de genes conocida como CRISPR.

Si aún no has oído hablar de CRISPR, la explicación breve es la siguiente: En los últimos nueve años, los científicos han descubierto cómo aprovechar una peculiaridad del sistema inmunitario de las bacterias para editar genes en otros organismos: plantas, ratones e incluso humanos. Con CRISPR, ahora pueden realizar estas ediciones de forma rápida y barata, en días en lugar de semanas o meses. (La tecnología se conoce a menudo como CRISPR/Cas9, pero nos quedaremos con CRISPR, que se pronuncia «crisper»)

Estamos hablando de una nueva y poderosa herramienta para controlar qué genes se expresan en las plantas, los animales e incluso los humanos; la capacidad de eliminar rasgos indeseables y, potencialmente, añadir rasgos deseables con más precisión que nunca.

Hasta ahora los científicos lo han utilizado para reducir la gravedad de la sordera genética en ratones, lo que sugiere que algún día podría utilizarse para tratar el mismo tipo de pérdida de audición en las personas. También han creado setas que no se doran con facilidad y han editado células de la médula ósea en ratones para tratar la anemia de células falciformes. Más adelante, CRISPR podría ayudarnos a desarrollar cultivos tolerantes a la sequía y a crear nuevos y potentes antibióticos. Algún día, CRISPR podría incluso permitirnos eliminar poblaciones enteras de mosquitos que propagan la malaria o resucitar especies que en su día se extinguieron, como la paloma mensajera.

Una gran preocupación es que, aunque CRISPR es relativamente sencillo y potente, no es perfecto. Los científicos han aprendido recientemente que el enfoque de la edición de genes puede eliminar y reorganizar inadvertidamente grandes franjas de ADN de manera que puede poner en peligro la salud humana. Esto se debe a estudios recientes que demuestran que las células editadas con CRISPR pueden desencadenar cáncer de forma inadvertida. Por ello, muchos científicos sostienen que los experimentos en humanos son prematuros: Los riesgos e incertidumbres en torno a la modificación con CRISPR son extremadamente altos.

En este frente, 2018 trajo algunas noticias impactantes: en noviembre, un científico en China, He Jiankui, informó que había creado los primeros bebés humanos del mundo con genes editados con CRISPR: un par de niñas gemelas resistentes al VIH.

El anuncio sorprendió a científicos de todo el mundo. El director de los Institutos Nacionales de Salud, Francis Collins, dijo que el experimento era «profundamente perturbador y pisotea las normas éticas»

También creó más preguntas de las que respondió: ¿Realmente lo logró Jiankui? ¿Merece un elogio o una condena? ¿Debemos frenar la investigación con CRISPR?

Si bien los investigadores independientes aún no han confirmado que Jiankui haya tenido éxito, hay otras aplicaciones de CRISPR que están a punto de dar sus frutos, desde nuevas terapias contra enfermedades hasta novedosas tácticas para combatir la malaria. Así que aquí tenemos una guía básica de lo que es CRISPR y lo que puede hacer.

¿Qué diablos es CRISPR, de todos modos?

Si queremos entender CRISPR, debemos volver a 1987, cuando los científicos japoneses que estudiaban la bacteria E. coli encontraron por primera vez algunas secuencias repetitivas inusuales en el ADN del organismo. «El significado biológico de estas secuencias», escribieron, «es desconocido». Con el tiempo, otros investigadores encontraron grupos similares en el ADN de otras bacterias (y arqueas). Dieron a estas secuencias un nombre: Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas Regularmente Intercaladas – o CRISPR.

Sin embargo, la función de estas secuencias CRISPR era en su mayor parte un misterio hasta 2007, cuando los científicos de los alimentos que estudian la bacteria Streptococcus utilizada para hacer el yogur mostraron que estos extraños racimos en realidad cumplían una función vital: Forman parte del sistema inmunitario de la bacteria.

Las bacterias están sometidas a constantes ataques de los virus, por lo que producen enzimas para combatir las infecciones virales. Cuando las enzimas de una bacteria consiguen eliminar un virus invasor, aparecen otras pequeñas enzimas que recogen los restos del código genético del virus y lo cortan en pequeños fragmentos. A continuación, las enzimas almacenan esos fragmentos en espacios CRISPR en el propio genoma de la bacteria.

Ahora viene la parte inteligente: Los espacios CRISPR actúan como una galería de pícaros para los virus, y las bacterias utilizan la información genética almacenada en estos espacios para defenderse de futuros ataques. Cuando se produce una nueva infección viral, las bacterias producen unas enzimas de ataque especiales, conocidas como Cas9, que transportan esos fragmentos de código genético viral almacenados como una ficha policial. Cuando estas enzimas Cas9 se encuentran con un virus, comprueban si el ARN del virus coincide con el de la ficha policial. Si hay una coincidencia, la enzima Cas9 comienza a cortar el ADN del virus para neutralizar la amenaza. Se parece un poco a esto:

Así que esto es lo que hace CRISPR/Cas9. Durante un tiempo, estos descubrimientos no interesaron a nadie más que a los microbiólogos, hasta que se produjeron una serie de nuevos avances.

¿Cómo revolucionó CRISPR la edición de genes?

En 2011, Jennifer Doudna, de la Universidad de California Berkeley, y Emmanuelle Charpentier, de la Universidad de Umeå (Suecia), se preguntaban cómo funcionaba realmente el sistema CRISPR/Cas9. ¿Cómo hacía coincidir la enzima Cas9 el ARN de las fotos con el de los virus? ¿Cómo sabían las enzimas cuándo debían empezar a cortar?

Los científicos pronto descubrieron que podían «engañar» a la proteína Cas9 alimentándola con ARN artificial, una foto falsa. Cuando lo hacían, la enzima buscaba cualquier cosa con ese mismo código, no solo virus, y empezaba a cortar. En un artículo histórico de 2012, Doudna, Charpentier y Martin Jinek demostraron que podían utilizar este sistema CRISPR/Cas9 para cortar cualquier genoma en el lugar que quisieran.

Aunque en ese momento la técnica solo se había demostrado en moléculas en tubos de ensayo, las implicaciones eran impresionantes.

Siguieron otros avances. Feng Zhang, científico del Instituto Broad de Boston, fue coautor de un artículo publicado en Science en febrero de 2013 en el que mostraba que CRISPR/Cas9 podía utilizarse para editar los genomas de células de ratón cultivadas o de células humanas. En el mismo número de Science, George Church, de Harvard, y su equipo mostraron cómo una técnica CRISPR diferente podía utilizarse para editar células humanas.

Desde entonces, los investigadores han descubierto que CRISPR/Cas9 es sorprendentemente versátil. Los científicos no sólo pueden utilizar CRISPR para «silenciar» genes recortándolos, sino que también pueden aprovechar las enzimas de reparación para sustituir los genes deseados en el «hueco» dejado por los recortadores (aunque esta última técnica es más complicada de llevar a cabo). Así, por ejemplo, los científicos podrían decirle a la enzima Cas9 que elimine un gen que causa la enfermedad de Huntington e inserte un gen «bueno» para reemplazarlo.

La edición de genes en sí no es nueva. Hace años que existen diversas técnicas para eliminar genes. Lo que hace que CRISPR sea tan revolucionario es que es muy preciso: La enzima Cas9 va casi siempre donde se le indique. Y es increíblemente barato y fácil: en el pasado, alterar un gen podía costar miles de dólares y semanas o meses de trabajo. Ahora puede costar sólo 75 dólares y llevar sólo unas horas. Y esta técnica ha funcionado en todos los organismos en los que se ha probado.

Ahora es uno de los campos más candentes. En 2011, había menos de 100 artículos publicados sobre CRISPR. En 2018, había más de 17.000 y contando, con refinamientos de CRISPR, nuevas técnicas para manipular genes, mejoras en la precisión, y más. «Esto se ha convertido en un campo tan rápido que incluso me cuesta seguir el ritmo ahora», dice Doudna. «Estamos llegando a un punto en el que las eficiencias de la edición de genes están en niveles que claramente van a ser útiles terapéuticamente, así como en un vasto número de otras aplicaciones».

También ha habido una intensa batalla legal sobre quién exactamente debe obtener el crédito por esta tecnología CRISPR y quién posee los derechos potencialmente lucrativos. Fue el artículo de Doudna de 2012 en la Universidad de California Berkeley el gran avance, o fue la investigación de Zhang de 2013 en el Instituto Broad el avance clave? En septiembre, un tribunal federal de apelaciones rechazó los argumentos de la Universidad de California Berkeley de que la escuela tiene derechos exclusivos sobre las patentes de CRISPR, manteniendo las patentes del Instituto Broad sobre algunas aplicaciones de CRISPR.

Pero lo importante es que CRISPR ha llegado.

Entonces, ¿para qué podemos usar CRISPR?

Así que. Muchas. Cosas.

Paul Knoepfler, profesor asociado de la Facultad de Medicina de la UC Davis, dijo a Vox que CRISPR le hace sentir como un «niño en una tienda de caramelos».

En el nivel más básico, CRISPR puede hacer que sea mucho más fácil para los investigadores averiguar lo que los diferentes genes en diferentes organismos realmente hacen – por ejemplo, eliminando genes individuales y viendo qué rasgos se ven afectados. Esto es importante: aunque tenemos un «mapa» completo del genoma humano desde 2003, no sabemos realmente qué función cumplen todos esos genes. CRISPR puede ayudar a acelerar el cribado del genoma, y la investigación genética podría avanzar masivamente como resultado.

Los investigadores también han descubierto que hay numerosas CRISPR. Así que CRISPR es en realidad un término bastante amplio. «Es como el término ‘fruta’: describe toda una categoría», dijo Zhang, de la Broad. Cuando la gente habla de CRISPR, suele referirse al sistema CRISPR/Cas9 del que hemos hablado aquí. Pero en los últimos años, investigadores como Zhang han encontrado otros tipos de proteínas CRISPR que también funcionan como editores de genes. Cas13, por ejemplo, puede editar la hermana del ADN, el ARN. «Cas9 y Cas13 son como las manzanas y los plátanos», añadió Zhang.

La verdadera diversión -y, potencialmente, los verdaderos riesgos- podría venir del uso de las CRISPR para editar varias plantas y animales. Un artículo publicado en 2016 en Nature Biotechnology por Rodolphe Barrangou y Doudna enumeró una avalancha de posibles aplicaciones futuras:

1) Editar cultivos para que sean más nutritivos: los científicos especializados en cultivos ya están buscando utilizar CRISPR para editar los genes de varios cultivos para hacerlos más sabrosos o más nutritivos o que sobrevivan mejor al calor y al estrés. Podrían utilizar CRISPR para eliminar los alérgenos de los cacahuetes. Los investigadores coreanos están estudiando si la CRISPR podría ayudar a los plátanos a sobrevivir a una enfermedad fúngica mortal. Algunos científicos han demostrado que la CRISPR puede crear vacas lecheras sin cuernos, un gran avance para el bienestar animal.

Recientemente, grandes empresas como Monsanto y DuPont han comenzado a conceder licencias de la tecnología CRISPR, con la esperanza de desarrollar nuevas y valiosas variedades de cultivos. Aunque esta técnica no sustituirá por completo a las técnicas tradicionales de OMG, que pueden trasplantar genes de un organismo a otro, CRISPR es una nueva herramienta versátil que puede ayudar a identificar los genes asociados a los rasgos deseados de los cultivos con mucha más rapidez. También podría permitir a los científicos insertar los rasgos deseados en los cultivos de forma más precisa que el cultivo tradicional, que es una forma mucho más complicada de intercambiar genes.

«Con la edición del genoma, podemos hacer absolutamente cosas que no podíamos hacer antes», dice Pamela Ronald, genetista de plantas de la Universidad de California Davis. Dicho esto, advierte que es sólo una de las muchas herramientas para la modificación de cultivos que existen, y la obtención de nuevas variedades con éxito todavía podría llevar años de pruebas.

También es posible que estas nuevas herramientas atraigan la controversia. Los alimentos a los que se les han eliminado algunos genes mediante CRISPR están actualmente regulados de forma más ligera que los OMG tradicionales. Los responsables políticos de Washington, DC, están debatiendo actualmente si podría tener sentido replantear las regulaciones aquí. Este artículo de Maywa Montenegro para Ensia profundiza en algunos de los debates que plantea CRISPR en la agricultura.

2) Nuevas herramientas para frenar las enfermedades genéticas: Los científicos están utilizando ahora CRISPR/Cas9 para editar el genoma humano y tratar de eliminar enfermedades genéticas como la cardiomiopatía hipertrófica. También están estudiando su uso en las mutaciones que causan la enfermedad de Huntington o la fibrosis quística, y están hablando de probarlo en las mutaciones BRCA-1 y 2 vinculadas a los cánceres de mama y ovario. Los científicos han demostrado incluso que CRISPR puede eliminar las infecciones por VIH de las células T.

Hasta ahora, sin embargo, los científicos sólo lo han probado en células en el laboratorio. Todavía hay que superar algunos obstáculos antes de que alguien inicie los ensayos clínicos en seres humanos reales. Por ejemplo, las enzimas Cas9 pueden fallar ocasionalmente y editar el ADN en lugares inesperados, lo que en las células humanas podría provocar cáncer o incluso crear nuevas enfermedades. Como dijo a STAT el genetista Allan Bradley, del Instituto Wellcome Sanger de Inglaterra, la capacidad de CRISPR para causar estragos en el ADN ha sido «seriamente subestimada».

Y aunque también se han producido importantes avances en la mejora de la precisión de CRISPR y en la reducción de estos efectos fuera del objetivo, los científicos piden precaución en las pruebas con humanos. Esa es una gran razón por la que los experimentos de Jiankui para producir bebés humanos con genomas editados con CRISPR son tan controvertidos y alarmantes. Los investigadores que examinaron los pocos hallazgos que Jiankui reveló públicamente dijeron que los resultados mostraban que los genes de los bebés no habían sido editados con precisión. También queda mucho trabajo por hacer en cuanto a la entrega real de las moléculas de edición a células concretas, un gran reto de cara al futuro.

3) Nuevos y potentes antibióticos y antivirales: Uno de los hechos más aterradores en materia de salud pública es que nos estamos quedando sin antibióticos eficaces a medida que las bacterias desarrollan resistencia a ellos. Actualmente, es difícil y costoso desarrollar nuevos antibióticos para las infecciones mortales. Pero los sistemas CRISPR/Cas9 podrían, en teoría, desarrollarse para erradicar ciertas bacterias con más precisión que nunca (aunque, de nuevo, averiguar los mecanismos de administración será un reto). Otros investigadores están trabajando en sistemas CRISPR que se dirigen a virus como el VIH y el herpes.

4) Impulsos genéticos que podrían alterar especies enteras: Los científicos también han demostrado que CRISPR podría utilizarse, en teoría, para modificar no sólo un organismo, sino una especie entera. Se trata de un concepto desconcertante llamado «impulso genético»

Funciona así: Normalmente, cada vez que un organismo como la mosca de la fruta se aparea, hay una probabilidad de 50-50 de que transmita un gen determinado a su descendencia. Pero utilizando CRISPR, los científicos pueden alterar estas probabilidades para que haya casi un 100% de posibilidades de que un gen concreto se transmita. Utilizando este impulsor genético, los científicos podrían asegurar que un gen alterado se propague por toda una población en poco tiempo:

Aprovechando esta técnica, los científicos podrían, por ejemplo, modificar genéticamente los mosquitos para que solo produzcan descendencia masculina, y luego utilizar un impulsor genético para impulsar ese rasgo en toda una población. Con el tiempo, la población se extinguiría. «O simplemente se podría añadir un gen que los hiciera resistentes al parásito de la malaria, impidiendo su transmisión a los humanos», explica Dylan Matthews, de Vox, en su artículo sobre los impulsores genéticos CRISPR para la malaria.

Sólo hay que decir que también hay obstáculos que superar antes de que esta tecnología se despliegue en masa, y no necesariamente los que cabría esperar. «El problema de los impulsores genéticos de la malaria se está convirtiendo rápidamente en un problema de política y gobernanza más que en un problema de biología», escribe Matthews. Los reguladores tendrán que averiguar cómo manejar esta tecnología, y los especialistas en ética tendrán que lidiar con cuestiones complicadas sobre su equidad.

5) Creación de «bebés de diseño»: Esta es la que recibe más atención, y con razón. No es del todo descabellado pensar que algún día podamos confiar lo suficiente en la seguridad de CRISPR como para utilizarla para editar el genoma humano: para eliminar enfermedades o para seleccionar el atletismo o la inteligencia superior.

Pero el reciente intento de Jiankui de introducir protección contra el VIH en embriones destinados al embarazo, que implicó poca supervisión, no es la forma en que la mayoría de los científicos quieren que el campo avance.

La preocupación es que aún no hay suficientes salvaguardias para evitar daños ni suficientes conocimientos para hacer un bien definitivo. En el caso de Jiankui, tampoco informó a su universidad sobre su experimento con antelación, probablemente no informó plenamente a los padres de los bebés modificados de los riesgos que implicaba, y puede haber tenido un incentivo financiero de sus dos empresas biotecnológicas afiliadas.

Ni siquiera estamos cerca del punto en el que los científicos podrían realizar con seguridad los complejos cambios necesarios para, por ejemplo, mejorar la inteligencia, en parte porque implica muchos genes. Así que no sueñes con Gattaca todavía.

«Creo que la realidad es que todavía no entendemos lo suficiente sobre el genoma humano, cómo interactúan los genes, qué genes dan lugar a ciertos rasgos, en la mayoría de los casos, para permitir la edición para la mejora hoy en día», dijo Doudna en 2015. Sin embargo, añadió: «Eso cambiará con el tiempo».

Espera, ¿deberíamos realmente crear bebés de diseño?