Hace algo más de treinta años, el grupo de Atsuo Nakata encontró una extrañas repeticiones en el ADN de Escherichia coli. Durante los meses siguientes, diferentes grupos de investigadores descubrieron las mismas secuencias repetidas en el genoma de distintas bacterias. Uno de ellos, el español Francis Mojica, no solo determinó la existencia de las mismas repeticiones en microorganismos de las salinas de Santa Pola (Alicante), sino que también les puso nombre. El acrónimo de CRISPR, que se refería a las unidades que se repetían de forma enigmática en los genomas microbianos, protagonizaría tiempo después la mayor revolución en Biología del siglo XXI.

Aquellas extrañas repeticiones formaban en realidad parte de un complejo sistema que las bacterias utilizan para defenderse del ataque de virus. Las secuencias repetidas de CRISPR se combinaban con otros elementos, el más importante de ellos llamado Cas, para trenzar un bisturí a nivel molecular con el que los microorganismos podían cortar el material genético de los virus y así evitar su infección. Lo hacían de forma parecida a la inmunidad adaptativa de organismos superiores, que desarrollan anticuerpos para protegerse de los patógenos. De este modo, las bacterias son capaces de reconocer a los virus que las atacan, guardar un fragmento de su genoma en su propio ADN y, tiempo después, cuando las partículas víricas tratasen de infectarlas de nuevo, activar el bisturí para parar el ataque.

El sistema CRISPR-Cas pasó desapercibido para la mayoría de investigadores —con permiso de los microbiólogos— hasta 2012. Fue entonces cuando dos científicas, Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier publicaron unos sorprendentes resultados: estas herramientas procedentes de las bacterias también podían servir para cortar y pegar el ADN. Su idea, apoyada por un trabajo posterior de Feng Zhang, abrió la puerta de la edición genómica, es decir, la posibilidad de modificar el ADN de forma rápida, precisa, segura y eficaz. Desde entonces, los científicos se han centrado en aplicar el editor genómico en diferentes ámbitos, con especial interés en medicina, donde CRISPR-Cas está siendo estudiado como posible terapia génica contra diversas enfermedades. Pero las esperanzas no terminan ahí.

Diagnóstico médico basado en CRISPR-Cas

Enfrentados en una cruenta guerra de patentes por el bisturí molecular, los grupos de Jennifer Doudna y Feng Zhang continúan trabajando de forma independiente en sus respectivos laboratorios de California y Massachusetts. Ambos científicos, considerados como grandes candidatos a los premios Nobel de Medicina y de Química, han centrado recientemente su atención en las aplicaciones que podría tener CRISPR-Cas en el terreno del diagnóstico médico. Una posible utilización que ampliaría de forma exponencial un mercado, el de la edición genómica, que fue estimado en el pasado en 46.000 millones de dólares.

Zhang y Doudna presentan dos trabajos independientes en la prestigiosa revista Science  (15 Feb 2018:eaaq0179 DOI: 10.1126/science.aaq0179) donde muestran el potencial de CRISPR para detectar enfermedades tan variadas como el dengue, el zika o la infección por el virus del papiloma humano. El grupo de Feng Zhang muestra en el primer estudio un kit de diagnóstico basado en CRISPR que emplea cuatro proteínas Cas diferentes, procedentes de cuatro bacterias distintas. Su resultado, que amplía las posibilidades del sistema SHERLOCK también presentado en Science el año pasado, consiste en una fina tira de papel que puede detectar cuatro secuencias diana diferentes mostrando cuatro colores distintos en el caso de que el test salga positivo.

“Es un resultado sorprendente, una nueva vuelta de tuerca”, reconoce Lluís Montoliu, investigador del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC), que no ha participado en el trabajo. El equipo de Zhang ha conseguido sacar “partido de algo que debería haber sido un desastre”, ya que el año pasado se dieron cuenta de que la proteína Cas13a, similar a la enzima Cas9 —que se usa normalmente en edición genómica—, “se vuelve loca una vez que se activa y comienza a cortar moléculas de ARN”. “Mezclaron secuencias de ARN pegadas a un fluorocromo, que puede brillar una vez que es cortado. Cuando 13a identificaba la secuencia diana, también liberaba la fluorescencia. La presencia de ese brillo nos decía que se había detectado la secuencia objetivo”, explica Montoliu.

Tras los resultados presentados hace menos de un año, Feng Zhang ha logrado mejorar el método transformándolo en un sistema de diagnóstico múltiple. Las cuatro proteínas que emplea ahora como bisturí cortan unas letras del ARN antes que otras, de forma que, construyendo unas ‘moléculas trampa’, han conseguido mezclar todos los indicadores en un mismo tubo con cuatro brillos diferentes, en función de la secuencia que haya detectado el sistema.

“Es sorprendente, además logra hacerlo con un método de química seca”, similar al que se emplea en un test de embarazo o en la reciente prueba del VIH. “Consiste en una tira de papel que, en presencia de sangre u orina, mostraría a simple vista una raya o dos en el caso de que el resultado fuera positivo”, comenta Montoliu. La sensibilidad lograda por Zhang además es “extraordinaria”, al alcanzar el nivel attomolar (10^-18), un resultado que consiguen gracias a que emplean la amplificación del material genético. Es decir, los científicos del Instituto Broad del MIT y la Universidad de Harvard ‘fotocopian’ las secuencias para haya más moléculas complementarias antes de probar que su kit diagnóstico funciona.

Jennifer Doudna, a la zaga en diagnóstico

El segundo trabajo publicado en Science corresponde al grupo de Jennifer Doudna. Su equipo da a conocer los “efectos inesperados” que tiene la proteína Cas12a, un elemento descubierto por Zhang y que este también emplea en su kit de diagnóstico. Una vez que esta pieza del bisturí molecular corta las dos hebras del ADN, también es capaz de cortar moléculas de una sola cadena. Un resultado que no perjudica a la edición genómica tradicional, pero que puede ser aprovechada en diagnóstico médico, defiende Doudna. Exactamente el mismo resultado que Zhang, obtenido de forma independiente, y que han aprovechado para detectar virus del papiloma humano, relacionado con algunos tipos de tumores malignos como el cáncer de cuello de útero.

“Destacaría mucho el trabajo de Zhang, ya que incorpora el de Doudna y además añade más cosas”, opina Montoliu. A su juicio, el estudio de la catedrática de la Universidad de California no sería comparable al publicado hoy por el investigador del Instituto Broad… “sino fuera porque es Doudna”. “De forma similar convierte [a la proteína] en un sistema de diagnóstico, incorpora un fluorocromo también para que cuando [el bisturí] corte empiece a brillar”, explica el científico del CNB-CSIC. El equipo de Jennifer Doudna, al igual que el de Zhang, usa el truco de la amplificación de las secuencias genéticas antes de realizar la detección, una estratagema sin la que ambos métodos de diagnóstico no funcionarían del todo bien.

“Hay un trabajazo detrás de los dos laboratorios. Son unos cracks, esto es pura investigación básica”, aplaude Lluís Montoliu. Con sus estudios en Science, los grupos de Doudna y Zhang, enfrentados y unidos para siempre por la edición genómica, demuestran de nuevo el potencial de CRISPR-Cas y ofrecen una nueva esperanza en medicina. La de convertir herramientas procedentes de seres vivos tan simples como las bacterias en un arma para diagnosticar enfermedades de manera sencilla y barata, con kits de detección portátiles que pudieran ser empleados en casi cualquier parte del mundo.

Fuente: Hypertextual

Enlaces de interés

• CRISPR-Cas12a target binding unleashes indiscriminate single-stranded DNase activity (Requiere suscripción)
• Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6 (Requiere suscripción)