Un yogur para editar el genoma

Comment

En general asociamos a las bacterias con la suciedad, enfermedad y muerte. El recuerdo de la peste bubónica –causada por la bacteria Yersinia pestis y de otras devastadoras epidemias causadas por bacterias– algo tiene que ver con la lúgubre visión que tenemos de estos seres microscópicos. Sin embargo, muchas bacterias no solo son inocuas, sino que además esenciales en nuestra vida. Por ejemplo, las bacterias que se emplean en la industria lechera para fabricar quesos y yogur. La leche contiene un azúcar llamado lactosa –un disacárido formado por glucosa y galactosa– que el 60% de la población mundial no puede digerir. Cuando la lactosa sin digerir llega al intestino grueso, ésta es procesada por las bacterias que viven ahí y se producen los molestos síntomas asociados a la intolerancia a la lactosa. Muchas de estas bacterias que degradan lactosa son útiles para la industria lechera, ya que convierten la lactosa en ácido láctico, acidificando la leche y convirtiéndola en una sustancia espesa que además tiene muy poca lactosa. Entre estas bacterias destaca el Streptococcus thermophilus, una bacteria que fue domesticada por el hombre y que ha sido utilizada desde principios del siglo XX en la elaboración de quesos y yogur. De hecho, estas bacterias son tan importantes que la industria de los productos lácteos gasta grandes cantidades de dinero para mantenerlas sanas. Así es, las bacterias también pueden enfermar y morir bajo el ataque de ciertos virus, llamados bacteriófagos.

Captura de pantalla 2015-06-01 a la(s) 20.18.00
Imagen coloreada artificialmente de un bacteriófago analizado por microscopía electrónica. Estos virus son muy abundantes y se estima que hay más bacteriófagos en nuestro planeta que estrellas en el universo (Fotografía de Univesity of Basel, Photo Researchers Inc.)

En el curso de las investigaciones que se realizaban para entender mejor como las bacterias se defienden de los virus bacteriófagos, se descubrió algo muy extraño en el genoma de las bacterias. Este hallazgo ha generado toda una revolución en el mundo de la biología molecular, revolución que ha permitido –por primera vez en la historia– editar de manera dirigida la información genética de un embrión humano. Esta es la historia de ese descubrimiento.

Un código extraño

A fines de los años 80s, varios grupos de investigación que caracterizaban genes bacterianos se toparon con algo extraño: secuencias cortas de ADN que se repetían en el genoma de las bacterias. El significado biológico de estas secuencias se convirtió en un misterio mayor, más aún cuando se descubrió que el 40 % de las bacterias presentaban este tipo de secuencias en su genoma. Estas secuencias cortas estaban flanqueadas por otras secuencias que eran palindrómicas (secuencias que se leen igual en ambas direcciones, como la palabra “radar”). Como se repetían muchas veces en el genoma fueron bautizadas como clustered regularly interspaced short palindromic repeats (repeticiones palindrómicas cortas, agrupadas y regularmente espaciadas), un nombre nada amigable que afortunadamente fue reemplazado por el acrónimo CRISPR (que se lee como crisper). El año 2005, investigadores que analizaban estas secuencias descubrieron secuencias idénticas en el genoma de varios virus que infectaban bacterias. A partir de estos datos se propuso que las secuencias CRISPR podrían ser parte de una especie de sistema inmune bacteriano, que almacenaba un recuerdo molecular de los bacteriófagos que la habían atacado y de alguna forma podía usar esta información para defenderse de futuros ataques.

Más sano que un yogurt

El año 2007, investigadores de una empresa de alimentos (Danisco) que trabajan con Streptococcus thermophilus en la elaboración de yogur, descubrieron que podían hacer a esta bacteria inmune al ataque de ciertos virus bacteriófagos cambiando la información genética de las secuencias CRISPR almacenadas en la bacteria. De esta forma, cuando se incorporaba artificialmente una secuencia del genoma de un virus bacteriófago en las secuencias CRISPR de la bacteria Streptococcus thermophilus, ésta se hacía inmune al ataque de ese virus. Así se demostró que efectivamente las secuencias CRISPR correspondían a una especie de sistema inmune bacteriano, que le permitía a las bacterias defenderse del ataque de los virus. Sin embargo, a medida que se empezó a estudiar el mecanismo de acción de este sistema de defensa, comenzaron a vislumbrarse ciertas aplicaciones que han terminado por revolucionar a la genética molecular en los últimos dos años. Lo que los investigadores descubrieron fue que las secuencias CRISPR que las bacterias almacenan se utilizan como un molde para generar secuencias de ARN que son complementarias a las secuencias de los virus. De esta forma, cuando un virus infecta a la bacteria, ésta reconoce al genoma del virus invasor y hace una copia de la secuencia almacenada en la región CRISPR. Esta copia de ARN se une a una proteína llamada Cas, que se especializa en cortar ADN. Así, la secuencia de ARN actúa como guía para indicarle a la proteína Cas donde cortar. Como consecuencia de esto, la proteína Cas corta el ADN del virus invasor, inactivándolo y haciendo a la bacteria resistente a ese virus.

portadaCRISPR
Buscar y destruir, un guiño a Metallica en la portada de Nature que habla sobre el mecanismo de acción del sistema CRISPR/Cas 

Una máquina para editar genes

El año 2012 se propuso que el sistema CRISPR/Cas se podría utilizar para editar genes de manera dirigida, usando secuencias de ARN complementario artificiales. De esta forma se logró editar con éxito genes en levaduras, peces, moscas, nemátodos, plantas, ratones y células humanas en cultivo. Hace un año atrás, en marzo del 2014, la revista Nature Biotechnology publicó un artículo que describía por primera vez la corrección in vivo de una mutación que causaba una enfermedad en ratones. La tirosinemia es una enfermedad que se produce por una mutación en el gen FAH, que codifica para la enzima fumaril acetoacetato hidrolasa, involucrada en la degradación del aminoácido tirosina. La ausencia de esta enzima en los seres humanos va acompañada de la acumulación de productos metabólicos que resultan altamente tóxicos para el hígado y que terminan causando la muerte por deficiencia hepática. Existe un modelo en ratón de esta enfermedad que posee la misma mutación descrita en humanos; estos ratones experimentan los mismos síntomas y se han usado como modelo de estudio de esta enfermedad. Lo que hicieron los investigadores fue inyectar en la cola del ratón todo el sistema CRISPR/Cas –incluyendo el ARN complementario para editar el gen FAH y un ADN guía especial para inducir la reparación de la mutación– que al actuar en conjunto en las células del hígado del ratón indujo la corrección de la mutación en algunas células hepáticas. Cómo estas células ahora sí procesan la tirosina, comienzan a proliferar por sobre las células con el genoma no editado, las que mueren por la acumulación de los compuestos tóxicos derivados de la tirosina. Los ratones tratados de esta forma mostraron una notable mejoría y, a diferencia de los ratones usados como control (que fueron inyectados con un sistema CRISPR/Cas incompleto), no bajaron de peso ni tuvieron que ser sacrificados producto de los síntomas de la enfermedad. De esta forma y por primera vez se demostró el potencial terapéutico de esta técnica para reparar mutaciones que producen enfermedades. Era cosa de tiempo para probarlo en humanos.

Un dilema ético

A fines del 2014 los rumores eran cada vez más fuertes: un grupo de investigadores estaba usando el sistema CRISPR/Cas para editar el genoma de embriones humanos. En marzo de este año un grupo de científicos –entre los que se cuenta a uno de los descubridores del sistema CRISPR/Cas– envió una carta a la revista Nature alertando sobre los riesgos potenciales del uso de esta tecnología en humanos.

Captura de pantalla 2015-06-01 a la(s) 20.32.54
“No editen la línea germinal humana”, carta enviada a Nature pidiendo una moratoria a los experimentos de edición del genoma en humano.

La posibilidad de alterar genéticamente a la línea germinal –es decir, inducir artificialmente cambios genéticos que podrían ser traspasados a la descendencia– era evidente. Se pedía una moratoria voluntaria a este tipo de experimentación en humanos, debido a que es relativamente fácil de aplicar y se podría emplear de manera masiva antes de que se evalúen todos los riesgos potenciales. Si bien todas las tecnologías que usamos tienen un riesgo intrínseco ­–razón por la cual le enseñamos a los niños a no meter los dedos al enchufe o nos ponemos nerviosos cuando despega nuestro avión­– es necesario primero conocer los riesgos para estudiar la forma de minimizarlos o evaluar si el beneficio obtenido supera al riesgo intrínseco. Por otro lado, si bien los usos terapéuticos parecen muy relevantes, podrían existir otros usos calificados de “cosméticos”, cuya aplicación parece trivial. Sin embargo, menos de un mes después de publicada la carta se confirmaron los rumores: un grupo de investigadores Chinos había modificado el genoma de embriones humanos. Se trataba de embriones no viables, que habían sido fertilizados in vitro por dos espermatozoides de manera simultánea. Estos embriones se dividen de manera normal al principio pero luego detienen su desarrollo y eventualmente mueren y se obtienen de manera recurrente y no intencional cuando se hace fertilización in vitro. Los investigadores describían que habían inyectado en total 86 embriones, de los cuales 71 sobrevivieron lo suficiente como para realizar análisis posteriores. El sistema CRISPR solo funcionó en una fracción de los embriones y en solo unos pocos se logró generar el cambio genético buscado (reparar una mutación en el gen ß-globina). Aún así, solo algunas células de esos embriones fueron editadas, lo que generó algo que se conoce como “mosaico”. Esto es bastante complejo, pues el organismo adulto estaría eventualmente compuesto por una mezcla de células sanas y otras enfermas. Los investigadores comentaban que debido a estas dificultades se debía afinar bien la técnica antes de pensar en aplicaciones clínicas en humanos.

Captura de pantalla 2015-06-01 a la(s) 20.35.47
Edición mediada por el sistema CRISPR/Cas del genoma de embriones humanos no viables

Los comentarios a este trabajo llegaron por montones. Algunos investigadores respaldan una moratoria completa antes de seguir intentando este tipo de experimentos, mientras otros se cierran completamente a la idea de usarlo en humanos. Otros son críticos con el trabajo pues consideran que no se usó la metodología más moderna de CRISPR/Cas, que no produce varios de los problemas que los autores del estudio encontraron, como edición de otras regiones del genoma o una baja eficiencia. Sin embargo, el debate está abierto ¿Es éticamente válido poner a disposición de las personas una metodología de edición del genoma para reparar genes defectuosos? ¿O tal vez para modificar ciertas características de los hijos? Es un debate muy interesante, que contrasta fuertemente con la realidad nacional: acá todavía estamos discutiendo una ley de aborto. Cuando lleguemos como país al debate del sistema CRISPR es muy probable que en el mundo ya hayan consensos establecidos. Es parte de los costos que se pagan por postergar los debates importantes.