La ingeniería genética está experimentando un impulso renovador. Una década después del Proyecto del Genoma Humano, que no rindió todos los frutos esperados, ha irrumpido una técnica cuyas posibilidades parecen infinitas. CRISPR/Cas9, unas tijeras moleculares que modifican el ADN en puntos escogidos con una precisión sin precedentes, está generando nuevas esperanzas. La estrategia ya está revolucionando todas las áreas de la ingeniería genética, y se considera indiscutible que sus descubridores serán merecedores de un premio Nobel. No obstante, el método no se halla exento de problemas. Los efectos no deseados que puede provocar, las limitaciones técnicas y las objeciones éticas representan importantes obstáculos de la edición genética.
¿Cómo funciona CRISPR/Cas9?
La técnica de edición genética CRISPR/Cas9 se basa en un complejo sistema inmunitario de las bacterias que les protege contra los virus. Se trata de una inmunidad adquirida, o adaptativa, que «recuerda» las secuencias de ADN de los patógenos de ataques anteriores y corta su ADN en caso de una nueva infección.
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Es precisamente esta combinación de reconocimiento y corte la que utiliza la técnica CRISPR/Cas9. En la variante más simple, se inyecta en la célula ARN que codifica una proteína llamada Cas9 y una secuencia de reconocimiento. La célula emplea el ARN para sintetizar la proteína, la cual se pone a trabajar junto con el ARN de reconocimiento añadido: Cas9 corta el ADN de doble cadena exactamente donde el fragmento de ARN asociado le indica que lo haga. Dado que es posible sintetizar artificialmente cualquier secuencia de ARN, tal combinación permite cortar cualquier genoma en cualquier lugar, al menos teóricamente.
Las llamadas secuencias CRISPR, presentes en el material genético de las bacterias, se conocen desde la década de 1980. El microbiólogo Francisco J. M. Mojica, de la Universidad de Alicante, contribuyó en una parte fundamental a su descubrimiento y denominación. La abreviatura significa «repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente espaciadas», es decir, secuencias palindrómicas cortas repetidas que están separadas por otro material genético y que con frecuencia aparecen en el genoma en ubicaciones específicas. Resultó que el material genético que había entre las secuencias repetidas a menudo procedía de virus, lo que permitió deducir que CRISPR correspondía a un sistema que permitía a las bacterias defenderse de ellos.
Más tarde, se observó que todas las bacterias con dicho sistema presentaban, en la vecindad de CRISPR, unos genes asociados que se denominaron cas. Estos constituyen el elemento esencial de la defensa antivírica. El sistema CRISPR de la bacteria «cosecha» ADN vírico e integra partes de él entre las secuencias repetidas del genoma bacteriano. Como resultado, la célula produce ARN complementario del ADN vírico y lo ensambla con proteínas Cas. Si un virus intenta infectar de nuevo la célula con este ADN, el ARN «reconoce» el genoma del virus y, a continuación, las proteínas Cas lo cortan para que no vuelva a causar daños.
El origen de la técnica de edición genética se basa en el descubrimiento de que las proteínas Cas cortan cualquier ADN siempre que se les proporcione un ARN de reconocimiento adecuado, y esto es lo que hace CRISPR/Cas9. Después del corte, se confía en los mecanismos naturales de reparación de la célula, los cuales se ponen en marcha de forma espontánea.
Si en ese momento solo las dos partes del genoma se hallan separadas, interviene un mecanismo de reparación celular que las vuelve a conectar, aunque a menudo resulta impreciso y produce los llamados indeles, pequeños fragmentos de ADN que se insertan o eliminan en el punto de corte y que pueden inutilizar los genes implicados. Sin embargo, cuando el ADN flota libremente en la célula con los dos cabos sueltos, interviene otro sistema más precciso, denominado reparación por recombinación homóloga (HDR), que los vuelve a conectar y da lugar a cambios específicos en el genoma.
¿Cuáles son los problemas éticos?
Los expertos han estado debatiendo desde hace tiempo sobre los problemas éticos fundamentales asociados a la modificación genética en los seres humanos. Pero hasta ahora el debate había sido puramente hipotético, ya que los procedimientos eran demasiado burdos e imprecisos como para poderlos trasladar en serio en ensayos con humanos. Pero la edición genética permite en principio introducir cambios en el genoma con una elevada precisión. De hecho, ya en 2015, varios grupos de trabajo chinos informaron de que, mediante el método CRISPR/Cas9, habían intentado eliminar de embriones humanos ciertas enfermedades hereditarias. Reparar genes que provocan dolencias es actualmente la aplicación más obvia en los humanos, puesto que nadie puede objetar en contra de sus fines terapéuticos.
¿O en realidad sí? Los críticos temen que tales procedimientos hagan posponer aún más la definición de «defecto genético» hasta que todas las variantes genéticas, excepto las más necesarias, se consideren defectuosas y, por tanto, necesiten ser reparadas. El bebé de diseño, hecho a medida, el tema de muchas consideraciones más o menos útiles sobre la ética de las modificaciones en la línea germinal, aparecería así bajo el pretexto de la curación.
Sin embargo, el problema más urgente no son las posibles consecuencias de los bebés de diseño, sino, en primer lugar, las consecuencias que tales experimentos tendrán en vista del conocimiento extraordinariamente incompleto que se tiene de los efectos genéticos reales. Las investigaciones para crear un bebé «a medida» pueden conllevar décadas, pero no está claro si tal espera disuadirá a todo el mundo. Quizás tales experimentos simplemente se prohíban, como sucedió con unos experimentos de 2015 en los que se aumentaba la capacidad infecciosa de ciertos virus.
Por el contrario, la eliminación de enfermedades hereditarias ya se halla en la agenda. En algunos casos, la corrección de un solo un gen, o tal vez un solo alelo, probablemente será factible pronto. La mayoría de los expertos consideran que esta opción es éticamente justificable. Sin embargo, incluso en este caso existe el riesgo de que la intervención pueda tener consecuencias imprevisibles a largo plazo si, por ejemplo, el gen corregido se transmite a los descendientes y tiene en ellos efectos que nadie había previsto. En tiempo reciente, el sorprendente anuncio de un investigador chino de que había ayudado a nacer dos gemelas con el genoma editado para protegerlas del VIH despertó una enorme controversia.
En la actualidad, CRISPR/Cas9 y otros métodos relacionados ya están revolucionando todos los ámbitos en los que pueda tener interés la modificación genética. La edición genética resulta más fácil y más precisa que cualquier otra técnica diseñada hasta ahora. Pero, ante todo, debe quedar claro qué se entiende por un «organismo modificado genéticamente»: ¿lo es aquel con un gen modificado mediante CRISPR/Cas9 en un solo lugar? ¿O este simplemente ha incorporado una nueva variante a su acervo génico natural? ¿Es un cerdo sin sus retrovirus endógenos como cualquier otro cerdo?
Resultará interesante ver la reacción de los consumidores cuando tales organismos ocupen los estantes de los supermercados como productos que se hallan en el umbral entre lo «natural» y lo «artificial». En ese momento, a más tardar, la verdadera cuestión técnica de la definición de ingeniería genética se volverá emocional. Muchas personas no desean ver nada en su plato que esté «modificado genéticamente»; pero para ello será necesario reconocer los organismos modificados, incluso si sus genes cambiados no difieren de las variantes naturales y, por lo tanto, también pueden hibridarse con organismos inalterados. Tal transparencia difícilmente sería posible con el sistema actual, sobre todo por lo que se refiere el ganado.
Las consideraciones éticas en torno a CRISPR/Cas9 abordan también/ el equilibrio entre los beneficios buscados y los riesgos de la técnica, como la posibilidad de modificar lugares no deseados del genoma. Los ecosistemas también pueden verse amenazados cuando se liberan en el medio silvestre mosquitos o productos agrícolas modificados genéticamente. Tampoco está claro cuál es el riesgo de que el material genético modificado salte a otras especies. Por otro lado, es difícil predecir las consecuencias de renunciar a la técnica cuando esta pretende curar una enfermedad. En ese caso, oponerse a la poderosa CRISPR/Cas9, a pesar de sus inconvenientes fundamentales, no resulta menos controvertida.
¿Cuáles son las limitaciones de CRISPR/Cas9?
En su origen biológico, CRISPR/Cas9 es un instrumento de destrucción: una rotura en una doble hebra representa una intervención bastante drástica del genoma y, a menudo, no puede repararse sin dejar un daño permanente. Esta propiedad puede resultar útil cuando se pretende incapacitar un gen mediante los denominados indeles: pares de bases que se eliminan o se añaden y hacen que la sección del genoma resulta ilegible. Desafortunadamente, a veces también se producen indeles cuando se incorpora ADN adicional a través del sistema de reparación HDR.
Si se necesita practicar una modificación genética de alta precisión, como en las terapias génicas, las roturas de doble cadena del sistema CRISPR original son, por lo tanto, un problema fundamental que uno desea evitar. Las nuevas variantes de CRISPR/Cas9, por ejemplo, cortan solo una hebra, lo que reduce notablemente los indeles en lugares no deseados del genoma y mejoran mucho la precisión de la técnica.
Aun así, nunca pueden evitarse del todo los cambios no deseados del sistema CRISPR/Cas9, los que se producen en lugares del genoma distintos del que se pretendía. Estos pueden tener lugar porque la enzima de corte Cas9 funciona incluso si el ARN de reconocimiento difiere de la secuencia de ADN en hasta cinco lugares. Tales errores son extaordinariamente difícíles de identificar después. O puede suceder el efecto contrario en genes que supuestamente han sido inactivados: si bien la mutación deseada se incorpora en el lugar adecuado del genoma, el gen sigue «leyéndose» correctamente.
La actual técnica de CRISPR/Cas9 también presenta otros problemas. Aunque puede cortar con precisión una ubicación definida del genoma, necesita que en la proximidad exista una secuencia de genes específica que no puede seleccionarse a voluntad. Este es el caso en la mayoría de los genomas, si bien no en todos (y, naturalmente, nunca en el que uno está trabajando). Además, la maquinaria CRISPR/Cas es muy voluminosa, por lo que resulta difícil introducirla en las primeras células embrionarias de los mamíferos: el gen cas y el ARN reconocimiento son simplemente demasiado grandes para los «transportadores» genéticos que se emplean habitualmente, los virus que introducen el material genético en la célula de interés. El ARN debe inyectarse directamente, lo que limita la eficacia.
De hecho, uno de los parámetros más importantes de una técnica de edición genética es su eficacia; dicho de otro modo, en qué proporción el genoma objetivo se modifica de la manera deseada. Ninguna de las tijeras genéticas utilizadas hoy en día garantizan que cumplan su misión; de hecho, la probabilidad de que lo hagan es relativamente baja, incluso en algunas de las aplicaciones más prometedoras. CRISPR/Cas9 no participa en realidad en la edición del gen de interés. Esta se produce de forma más o menos aleatoria. En las células madre humanas pluripotentes inducidas, por ejemplo, la eficacia de CRISPR/Cas9 es de entre el 2 y el 5 por ciento. En otros sistemas, como el de los embriones de pez cebra, la probabilidad de una mutación exitosa es a veces superior al 70 por ciento, aunque la terapia génica para las enfermedades hereditarias de los peces no constituyen un mercado muy grande.
¿Cuáles serán las aplicaciones futuras de CRISPR/Cas9?
En la investigación biotecnológica, CRISPR/Cas9 ha alcanzado una excelente posición como herramienta de ingeniería genética. Incluso se ha ido más allá con versiones nuevas que permiten regular de forma específica la actividad de los genes en el laboratorio. Para ello, se utiliza una proteína Cas9 inactivada, que se adhiere solo firmemente a fragmentos concretos de ADN. Si tal proteína se une a un dominio promotor, la actividad del gen correspondiente aumenta. Si, en cambio, bloquea la secuencia del gen en sí, el sector del genoma correspondiente deja de traducirse en ARN. Con la ayuda de diferentes proteínas unidas a sistemas Cas9 inactivos, ahora también es posible explorar los efectos epigenéticos, por ejemplo, marcando mediante fluorescencia la posición espacial de ciertas secuencias. Por medio de enzimas asociadas que escinden o unen grupos metilo o acilo, tales sistemas CRISPR/Cas9 también pueden alterar la epigenética de las células.
Pero, sobre todo, CRISPR/Cas9 se utiliza en la actualidad para crear de forma muy eficaz organismos modificados genéticamente, aquellos en los que un determinado gen se ha modificado, insertado o inactivado a través de una mutación. Tales procedimientos son mucho más antiguos que CRISPR. En 2007, por ejemplo, los inventores de la denominada inactivación (knockout) genética fueron galardonados con el premio Nobel de fisiología o medicina. No obstante, la técnica CRISPR/Cas9 es más rápida, más barata y más versátil que los métodos anteriores. En el laboratorio también puede solucionarse uno de los problemas principales de CRISPR: el tamaño requerido del ARN. En la actualidad, por ejemplo, existen varias razas de ratones que son portadoras de la proteína Cas9 en su propio genoma; tan pronto como llega a la célula una determinada señal molecular, como el ARN de reconocimiento correspondiente, la molécula se mantiene a la espera para alterar el genoma.
También están en curso los primeros organismos modificados cuyo objetivo, más allá de la investigación básica, tiene aplicaciones prácticas. De esta manera, si los planes de los científicos tienen éxito, en el futuro se producirán mejores modelos animales para varias enfermedades humanas, y también se desarrollarán cultivos y animales con ciertas características, como mosquitos Anopheles resistentes a la malaria. Un ejemplo interesante es la eliminación, en del genoma del cerdo, de retrovirus potencialmente peligrosos, un requisito importante previo al plan de generar órganos humanos en animales.
Además, CRISPR/Cas9 ha hecho avanzar la técnica denominada impulso génico (gene drive), un mecanismo mediante el cual se hacen propagar con rapidez ciertos rasgos artificiales en poblaciones de animales silvestres. Ello resulta interesante para el control de mosquitos que transmiten enfermedades graves en algunas regiones. La investigación médica también ha puesto la atención en CRISPR/Cas9 como herramienta para luchar contra virus y bacterias patógenos, con el fin de realizar cortes precisos en el ADN de estos microorganismos e impedir que prosperen. Sin embargo, todavía no está del todo claro cómo transportar el ARN necesario a la ubicación deseada en una enfermedad real.
¿Qué alternativas existen a la técnica CRISPR/Cas9?
Una cosa es segura: a pesar de la sentencia en la disputa de patentes entre Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna, por un lado, y Feng Zhang, por el otro, la batalla por los beneficios del método CRISPR/Cas9 no ha hecho más que empezar. Debido al enorme potencial de la técnica, las regalías se cuentan en miles de millones. Pero, si se mira en perspectiva, quizá no. Mientras que la Universidad de California todavía está en condiciones de obtener al menos de una parte del pastel, varios grupos de investigación han estado explorando otras opciones a la técnica.
Porque CRISPR/Cas9, como hemos visto, tiene desventajas y limitaciones. La más importante es que las tijeras genéticas solo son, en realidad, adecuadas para realizar un corte en el ADN. Si uno desea incorporar nuevo material genético, debe confiar en la célula. En muchos casos, la técnica no es lo suficientemente eficaz como para modificar varios genes a la vez, como se desea. Además, CRISPR/Cas9 no corta en todos los sitios del genoma.
Por esta razón, los métodos que precedieron a CRISPR/Cas9 no se han abandonado del todo: tanto las TALEN como las nucleasas con dedos de zinc, dos tipos de tijeras genéticas más antiguas, todavía se utilizan en la ingeniería genética. Estos procedimientos son mucho más complicados. Sin embargo, si además de los inconvenientes de CRISPR/Cas9 persiste durante más años la incertidumbre sobre los derechos de licencia, los expertos podrían alejarse de CRISPR/Cas9, al menos en lo que se refiere a la investigación con posibles aplicaciones comerciales.
También continúan las investigaciones sobre otras opciones. En la primavera de 2016, un grupo de investigación chino publicó un trabajo que indicaba que una proteína llamada NgAgo hacía lo mismo que CRISPR/Cas9, incluso mejor. Pero los resultados demostraron ser prematuros. Igual que sucedió con el entusiasmo que despertó una proteína llamada lambda Red, que se le supone la capacidad real de editar genes y que ha sido investigada por Zhang, el pionero de CRISPR, durante 14 años sin mucho éxito.
Lars Fischer
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