En diciembre de 1987, un grupo de biólogos de la Universidad de Osaka en Japón, publicaron la secuencia de ADN de un gen de la bacteria intestinal Escherichia coli, también secuenciaron parte del ADN que lo rodeaba. Cuando examinaron sus resultados, se sorprendieron al ver alrededor del gen de interés unas secuencias repetidas de ADN que no pudieron identificar.
En 1993, el grupo de Francisco Mojica del Departamento de Fisiología, Genética y Microbiología de la Universidad de Alicante en España, identificó estas secuencias en la arquea Haloferax mediterranei, un microorganismo unicelular distinto a las bacterias con una historia evolutiva independiente y características bioquímicas y de reproducción muy diferentes. En trabajos posteriores, Mojica y colaboradores detectaron las secuencias repetidas y sus espaciadores en varios organismos procariotas, bacterias y arqueas, demostrando que cada secuencia desconocida contenía un fragmento de ADN de un virus invasor.
Años más tarde, los grupos de Werner Arber, de la Universidad de Ginebra, y Matthew Meselson, de la Universidad Harvard, demostraron la función de estas secuencias repetidas. Los procariotas en cuestión contaban con una defensa natural denominada sistema de restricción-modificación (R-M) que les permitía reconocer e inactivar a los virus invasores. Estos sistemas usan una enzima endonucleasa, también denominada restrictasa, que corta y digiere la molécula del ADN viral en cierta secuencia. Concomitantemente, una enzima metilasa evita la degradación de la misma secuencia presente en ADN bacteriano, lo que se produce gracias a la modificación previa de esta secuencia por la adición de grupos metilo. De esta manera, cuando un virus ADN infecta a un procariota, las restrictasas residentes podrán degradarlo y abortar así la infección. Los R-M se consideran sistemas de inmunidad innata o natural.
Otros mecanismos de defensa incluyen a virus que modifican su propio ADN para protegerlo de la degradación ejecutada por las bacterias. Además, los procariotas poseen varias barreras genéticas que son alternativas a los sistemas R-M, como los sistemas CRISPR (del inglés: Clustered Regularly Interspaced Short Palyndromic Repeats, en español “Repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas”), que corresponden a secuencias repetidas en el ADN que incluye fragmentos virales. Unas proteínas denominadas Cas (por las siglas en inglés de «asociadas a CRISPR») son endonucleasas que actúan sobre el ADN del virus produciendo un corte que impide la proliferación viral. En este sistema la digestión de secuencias genéticas virales específicas, se realiza gracias a unas moléculas de ARN, las cuales guían a una endonucleasa Cas hasta los sitios de corte y degradación. CRISPR-Cas es una forma de inmunidad adquirida o adaptativa, altamente específica, en procariotas. Estos resultados han marcado una revolución en biología, ya que se creía que este tipo de inmunidad era exclusiva de los metazoos (Reino Animalia).
Una variante del sistema CRISPR-Cas, el CRISPR-Cas9, permitió en 2012 que las investigadoras Jennifer Doudna de la Universidad de California en Berkeley y Emmanuel Charpentier, en ese momento en la Universidad de Umea en Suecia, fueran capaces de adaptar este mecanismo para modificar a voluntad cualquier genoma. Ellas fueron pioneras en demostrar que CRISPR/cas9 funcionaba como una herramienta de ingeniería genética en cultivos de células humanas. CRISPR-Cas se convirtió en la primera herramienta biológica para forzar cambios genéticos específicos en toda una población.
En 2013, el investigador Feng Zhang del MIT y la Universidad de Harvard, adaptó con éxito el sistema CRISPR-Cas9 para la edición del genoma en células eucariotas humanas y de ratón.
Un ejemplo interesante es el proyecto Target Malaria liderado por Austin Burt, del Imperial College de Londres. En pruebas de laboratorio, el grupo ya ha logrado utilizar CRISPR-Cas para editar genes de Anopheles gambiae, mosquito trasmisor de malaria en África, para evitar que las hembras produzcan huevos fértiles. En teoría, a medida que esos mosquitos se extienden a través de los países del África subsahariana y comiencen a aparearse, la población comenzará a disminuir.
Actualmente las aplicaciones de esta metodología CRISPR-Cas han sido muchas, con aplicaciones en biología básica, agricultura, modelos experimentales de enfermedades y por supuesto en terapéutica médica. El sistema CRISPR-Cas, también puede ser utilizado como una vacuna rápida al poder sustituir genes asociados con virulencia con genes de referencia para que CRISPR-Cas actuara eliminándolos, y así garantizar la seguridad de una vacuna. Tal como se hizo con una vacuna con el Pseudorabies virus (PRV) en un brote de infección en granjas de cerdos en la China.
Proyectos en desarrollo con inversiones millonarias buscan diseñar células inmunitarias y células madre sanguíneas para ser usadas como herramientas de investigación en el descubrimiento de fármacos; desarrollar nuevas terapias con células inmunitarias anticancerosas; acelerar la identificación y validación de nuevos esquemas terapéuticos; crear mejores modelos animales de enfermedades humanas en lapsos de tiempo menores; reducir el número de medicamentos fallidos. De igual modo, se espera que CRISPR-Cas permita desarrollar soluciones con mayor precisión y velocidad en el área agrícola y de reproducción de plantas.
Felix J. Tapia
Nota:Imagen de CRISPR-Cas9 Editando el Genoma es tomada de Wikimedia Commons bajo licencia de Creative Commons Attribution 2.0 Generic license.
Nota sobre el autor: Felix J. Tapia se define como biólogo, inmunólogo, parasitólogo, rockero, farandulero, ucevista y venezolano. Biólogo de Concordia University, Montreal, Canadá e inmunólogo de la Universidad de Londres, Reino Unido. Profesor Asociado de la Universidad Central de Venezuela (UCV) y Jefe del Laboratorio de Biología Molecular, Instituto de Biomedicina, UCV. Ha publicado más de 100 artículos en revistas científicas y capítulos en libros. Premio Fundación Empresas Polar “Lorenzo Mendoza Fleury” 2005. Fue miembro de comités editoriales de las revistas Histology and Histopathology, Acta Microscopica, Dermatología Venezolana, Vitae, Immunobiology; y actualmente de Our Dermatology, Journal of Microbiology & Experimentation e International Journal of Clinical Dermatology & Research. Activo en el ciberespacio con publicaciones en Blog Felix J. Tapia, Piel Latinoamericana, Código Venezuela, RunRunes, DermPathPro y Medium.
2 Comentarios
Anita Figa
Excelente explicación. Gracias Felix y gracias Irene!!!
Felix J. Tapia
Gracias Anita, una nueva herramienta que transforma nuestra presencia en el planeta y plantea nuevos retos científicos y humanístas.