‘Resucitan’ bacterias antiquísimas que ayudarían a curar enfermedades

Las bacterias tienen miles de millones de años de antigüedad y han desarrollado un mecanismo por el que su ADN conserva trozos de virus para que si el virus reaparece más adelante la infección se frene al reconocer al patógeno y eliminarlo de su organismo. Este sistema inmune de muchas bacterias y arqueas se denomina CRISPR o ‘corta y pega’ genético, permite crear modificaciones genéticas en cualquier organismo y se ha empezado a probar su utilidad para tratar diferentes enfermedades, desde el cáncer de mama, al autismo o la epidermólisis bullosa (piel de mariposa).

CRISPR utiliza unas guías y una proteína (la nucleasa Cas9) para dirigirse a determinadas regiones del ADN y cortar. Tras esto, y de forma natural, se pegan los extremos y se inactiva el gen. El problema al que se enfrentan los científicos es que estamos muy familiarizados con la mayoría de las bacterias de las que se conoce este mecanismo porque se encuentran en nuestro entorno cercano y estamos inmunizados a su sistema, por lo que esas proteínas no funcionan con nosotros.

Por ello, los científicos hace tiempo que buscan en zonas remotas, como la Antártida, la cima del Everest o la Fosa de las Marianas, tratando de encontrar especies bacterianas con las que no hemos tenido contacto y cuyas proteínas (las nucleasas Cas) funcionen en nosotros. Sin embargo, un equipo de investigadores españoles ha dado un enfoque diferente a esta búsqueda: “Nosotros, en lugar de buscar en el espacio, hemos buscado en el tiempo”, ha explicado en RTVE Lluís Montoliu, investigador y vicedirector del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) y en el Centro de Investigación Biomédica en Red en Enfermedades Raras (CIBERER-ISCIII) y uno de los responsables del estudio. “Hemos hecho una especie de 'regreso al futuro' en busca de nucleasas distintas”.

Cómo funciona el sistema inmune en bacterias de hace millones de años

El biólogo Francis Mojica dio nombre a CRISPR como parte de sus estudios de microbios que vivían en el hostil entorno de las salinas de Santa Pola (Alicante) a principios de los años 90 del siglo pasado, y también analizó otras secuencias clave llamadas PAM, que permiten que el microbio distinga entre el genoma de un virus y el suyo propio ya que, sin los PAM, una bacteria podría eliminarse a sí misma. El estudio muestra que las Cas más antiguas cortaban sin necesidad de PAM. Mojica, coautor del trabajo actual, destaca su importancia para comprender el origen y evolución del CRISPR.

“Este logro científico abre nuevas vías en la manipulación de ADN y tratamiento de enfermedades como ELA, cáncer, diabetes, o incluso como herramienta de diagnóstico de enfermedades”

“Gracias a esta reconstrucción vemos cómo el sistema inmune de los microbios se fue haciendo menos dañino para sus portadores y cada vez más específico para cada virus”, explica. Además, “este trabajo es importante porque abre una enorme caja de herramientas para crear mejores sistemas de CRISPR”, afirma.

Con el objetivo de descubrir cómo se formó este antiquísimo sistema inmune bacteriano un equipo formado por algunos de los mayores expertos en edición genética de España empleó una técnica que se conoce como reconstrucción de secuencias ancestrales y que reconstruye el genoma de organismos extintos utilizando potentes ordenadores para comparar los genomas completos de seres vivos actuales –que contienen miles de millones de letras de ADN– y estimar cómo sería el genoma de sus ancestros comunes.

Y así es como los investigadores han podido viajar en el tiempo para recuperar proteínas Cas que se encuentran en microbios extintos; las más antiguas tienen 2.600 millones de años. Además, han rescatado también proteínas extintas de microorganismos que vivieron hace 1.000 millones de años, 200 millones, 137 millones y 37 millones de años. Utilizando estas proteínas han creado nuevos sistemas CRISPR y se los han inyectado a células humanas. Los resultados –que se han publicado en Nature Microbiology– demuestran que todas estas proteínas, a pesar de su antigüedad, son capaces de editar el genoma.

Aplicaciones médicas de estas proteínas ancestrales

En el laboratorio los investigadores han podido observar algo similar a la evolución a cámara rápida. La proteína más antigua de todas solo puede cortar cadenas de ADN simple, mientras que el ADN humano está formado por cadena doble, pero el resto de las moléculas Cas más recientes sí pueden cortar el ADN humano con efectividad, y de hecho han sido capaces de corregir dos genes, TYR y OCA2, que provocan albinismo.

Raúl Pérez-Jiménez, investigador del centro vasco de investigación cooperativa en nanociencia NanoGUNE y coautor del estudio, ha resaltado el potencial de esta investigación: “Estas son las proteínas Cas más antiguas que se han obtenido nunca. Creemos que son como un diamante en bruto. Ahora vamos a estudiar cómo las podemos hacer igual de eficientes que las actuales o incluso mejores”, indica.

Ylenia Jabalera, investigadora del proyecto en nanoGUNE, sostiene que “este logro científico hace posible disponer de herramientas de edición genética con propiedades distintas a las actuales, mucho más flexibles, lo cual abre nuevas vías en la manipulación de ADN y tratamiento de enfermedades como ELA, cáncer, diabetes, o incluso como herramienta de diagnóstico de enfermedades”. 

Miguel Ángel Moreno Pelayo, jefe de genética del Hospital Ramón y Cajal de Madrid y coautor del trabajo, resalta que la reconstrucción de proteínas antiguas abre la posibilidad de diseñar nuevas formas de CRISPR sintéticas “que no existen en la naturaleza”. Entre otros proyectos, su equipo desarrolla este tipo de moléculas para intentar corregir defectos genéticos en pacientes con esclerosis lateral amiotrófica. “Estamos ante un nuevo paradigma”, resume el científico.

Lluís Montoliu resalta otra ventaja de las proteínas Cas primitivas. El potencial para la edición genética del sistema CRISPR se descubrió en bacterias de la especie S. pyogenes. Estos microbios pueden ocasionar infecciones, por lo que muchas personas tienen anticuerpos que pueden provocar reacciones inmunitarias contra el CRISPR extraído de ellos. Las Cas primitivas, en cambio, son muy diferentes de cualquier versión actual, por lo que no las detecta el sistema inmune, una gran ventaja para evitar rechazo en futuras aplicaciones médicas, explica Montoliu.

Este científico explica que la razón por la que los eucariotas, el gran grupo de organismos pluricelulares al que pertenecemos los humanos, no desarrollaron un sistema inmune basado en CRISPR es porque resultaba peligroso. “Los sistemas más primitivos de CRISPR ya permitían cortar ADN, pero eran muy poco selectivos, con lo que probablemente acababan aniquilando al organismo que intentaban proteger. En el mundo de las bacterias, el individuo no es importante, lo que importa es la población, y este sistema les permitió ir evolucionando y perfeccionando un sistema inmune aun al precio de matar a muchos por el camino”, concluye.

Los hallazgos del estudio abren vías a numerosas aplicaciones médicas. Miguel Ángel Moreno-Mateos, profesor de la Universidad Pablo de Olavide e investigador Ramón y Cajal en el Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CABD) opina: “Es un trabajo genuinamente original con una aproximación imaginativa para, de manera última, entender la evolución del sistema CRISPR-Cas9 durante miles de millones de años. La mejora de la tecnología CRISPR-Cas pasa por entender bien cómo funcionan estos sistemas desde un punto de vista bioquímico y estructural. Conocer cómo han cambiado a lo largo de la evolución nos va a permitir abordar estas mejoras desde un nuevo punto de vista, con potenciales aplicaciones en biotecnología y biomedicina. El estudio sienta unos cimientos para ahora sobre ellos continuar trabajando y ser capaces de usar este conocimiento en aplicaciones biotecnológicas tangibles. En cualquier caso, estos estudios básicos son fundamentales para el avance en ciencias más aplicadas”, según ha declarado a SMC España.