Lluís Montoliu, Raúl Pérez-Jiménez y Francis Mojica han abierto una ventana al pasado que permite modificar los pilares genéticos del presente. Su investigación, pionera en el mundo, ha logrado resucitar proteínas de bacterias de hace 2.600 millones de años que podrían ayudar a curar enfermedades o desórdenes genéticos como la leucemia, el albinismo o algunos tipos de diabetes. Su 'regreso al futuro' es 2.400 millones de años anterior al Jurásico y 2.200 millones previo al surgimiento de los primeros trilobites; un Precámbrico en el que La Tierra aún comenzaba a fermentar la receta de la vida y las primeras bacterias fotosintéticas estaban a punto de dar origen al oxígeno.
Cuando se realizan este tipo de experimentos, uno suele imaginar a científicos que hinchen su espíritu aventurero y se lanzan a la caza de bacterias ancestrales en los lugares más recónditos o extraños del planeta. Al fin y al cabo, así fue cómo Mojica encontró en las salinas de Santa Pola, en Alicante, aquellas arqueas unicelulares llamadas Haloferax mediterrani que le sirvieron para sentar las bases de los CRISPR, la más potente herramienta de edición genética. O cómo en los manantiales de Yellowstone se halló un misterioso cóctel termófilo, Thermus aquaticus, cuya polimerasa es esencial para desarrollar los test de PCR. Gammaproteobacterias del foso de las Marianas, Pseudomonas versuta en la Antártida o Pertusarias bryonthas de la cima del Everest son sólo algunos de los especímenes descubiertos en fronteras remotas que expanden los horizontes del conocimiento científico.
Sin embargo, los tres científicos españoles no han tenido que adentrarse en peligrosas selvas amazónicas, en mares embravecidos ni taladrar bloques de hielo centenarios para dar caza a sus proteínas milenarias. Ni siquiera han tenido que salir de un laboratorio: su viaje ha sido hacia atrás en el tiempo. A través de un superordenador que funciona como una suerte de cápsula espacio-temporal, han sido capaces de encontrar a los ancestros de las proteínas asociadas a los CRISPR, las herramientas de edición de ADN que hoy se utilizan para modificar enfermedades o desórdenes genéticos en seres humanos. Su logro es muy valioso, porque abre la puerta a usar enzimas muy antiguas en terapias para corregir enfermedades genéticas modernas.
Reconstrucción de la Cas9, la enzima endonucleasa utilizada en el sistema CRISPR
Para comprender la importancia del logro de Pérez-Jiménez, Montoliu y Mojica, primero hace falta hilar la definición de un concepto esencial en su estudio: los sistemas CRISPR. Este peculiar término define secuencias de ADN que se encuentran tanto en el genoma de las bacterias como en el de unos organismos microscópicos llamados arqueas. CRISPR es, esencialmente, una región del ADN que opera como un sistema inmune que permite a las bacterias y arqueas reconocer y neutralizar agentes infecciosos cuando les atacan, como si se tratara de una autovacuna. Esa adaptación biológica les ha servido para defenderse de virus potencialmente peligrosos.
Cada vez que entran en contacto con uno, se quedan con un trocito de su genoma para reconocerlo en el futuro. Si vuelven a ser atacadas por el mismo virus, activan una 'tijera genética' que, gracias a una enzima endonucleasa conocida como Cas9 (su nombre proviene de CRISPR associated y el número indica el tipo de corte que practica en el ADN invasor), taja la cadena de material genético del agresor e impide su replicación. Así han evolucionado durante millones de años, recopilando información en su biblioteca de genes hasta perfeccionar su forma de cortar ADN.
El término CRISPR (acrónimo de 'repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas') fue acuñado en 2001 por el doctor Francis Mojica, profesor de microbiología de la Universidad de Alicante, otro de los 'viajeros del tiempo' españoles que han participado en este revolucionario proyecto de investigación. Su descubrimiento fue tan importante que su nombre estuvo en las quinielas del Nobel. Él fue quien descifró en 2005 que las bacterias tenían un sistema de inmunidad con memoria.
Su trabajo sirvió para que, siete años después, en 2012, Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier lograran inferir que las secuencias CRISPR y las proteínas Cas –de ahí que se las conzoca como CRISPR-Cas– podían ser empleadas en laboratorio como potenciales herramientas de edición genética que pudieran corregir enfermedades humanas. Por ello, ganaron el Nobel de Química en 2020. Aunque Mojica no participó en el desarrollo de la técnica, fue su padre teórico. "Yo trabajé durante 20 años en un sistema que, inicialmente, no sabíamos qué hacía", confiesa Mojica a EL ESPAÑOL | Porfolio.
El doctor Francis Mojica sonó en las quinielas de los premios Nobel
"Conocíamos las repeticiones CRISPR, pero no sabíamos cuál era su razón de ser. Hasta que descubrimos que era un sistema de inmunidad. Fue algo único e inesperado. Cuando se supo cómo funcionaban, Jennifer y Emmanuelle dijeron que esto podría utilizarse para llevar a cabo modificaciones genéticas".
Modificación genética. Tijeras de corte de ADN. Humanos a la carta. Suena a ciencia-ficción, pero en los últimos diez años se han llevado a cabo numerosos ensayos clínicos que han sido capaces de acabar con enfermedades gracias a los sistemas CRISPR-Cas. Uno de los casos más conocidos fue el de Alyssa, una niña británica de 13 años que padecía T-ALL, un tipo de leucemia linfobástica aguda muy agresiva que había sido médicamente desahuciada. Es decir, dada por muerta. No obstante, una terapia revolucionaria basada en los sistemas CRISPR-Cas conocida como 'editor de bases' consiguió inactivar los genes que generaban la enfermedad. La leucemia remitió.
"La potencialidad de las herramientas CRISPR-Cas es la de modificar el ADN para tratar cualquier enfermedad o patología causada por una alteración de base genética", explica el doctor Lluís Montoliu, investigador del Centro Nacional de Biotecnología y coautor, junto a Mojica y Pérez-Jiménez, del ensayo Evolution of CRISPR-associated endonucleases as inferred from resurrected proteins, publicado en Nature Microbiology.
Montoliu asegura que los sistemas CRISPR-Cas o 'tijeras genéticas' desarrollados por Charpentier y Doudna funcionan bien en laboratorio. El problema es que no son cien por cien útiles porque la enzima Cas9, una de las más utilizadas en edición genética, se puede encontrar en bacterias patogénicas como Streptococcus pyogenes, que en humanos genera enfermedades como la otitis o la meningitis. El sistema inmunitario la reconoce, y por eso las herramientas que utilizan estas enzimas a veces no son eficaces: el cuerpo de los pacientes produce resistencia inmunitaria y las terapias fallan.
El doctor Lluís Montoliu es uno de los autores del revolucionario paper español
"La mayor parte de personas ha estado expuesta a S. pyogenes", sugiere el doctor Montoliu. "Nuestros sistemas inmunitarios la conocen, por lo que tienen anticuerpos. Cuando se pretende utilizar estas herramientas CRISPR-Cas para tratar una enfermedad, nuestro sistema inmunitario las rechaza y las ataca porque son parte de una bacteria que causa infecciones". Aunque existen otras enzimas aparte de Cas9, como la Cas12, la Cas13 (que corta ARN) o la CasX, todas se enfrentan al mismo problema.
Y he ahí el logro de la investigación de Pérez-Jiménez, Montoliu y Mojica: ellos han conseguido resucitar enzimas de bacterias ancestrales de hace 2.600 millones de años que les permiten crear nuevos sistemas CRISPR-Cas que, inyectados en células, tienen la capacidad de editar los genomas humanos y acabar con anomalías de origen genético sin que el sistema inmunitario de los pacientes las rechace. "Necesitamos esos sistemas CRISPR porque están lo suficientemente alejados como para ser reconocidos".
El proceso de edición genética
Cuando un paciente padece una alteración en sus genes se le realiza un diagnóstico genético para saber cuál su origen. Se lee el genoma defectuoso y se compara con el genoma de referencia de un paciente sano. Una vez se sabe cuál es el gen y su mutación, se aplican las herramientas de edición genética para corregir, reactivar o inactivar el gen. Para ello se utiliza ARN mensajero, que les indica qué genes debe editar. Como el ARN puede sintetizarse y codificarse en un laboratorio para indicar a las enzimas Cas qué parte de ADN deben cortar, la ventana de posibilidades que abre el sistema CRISPR-Cas es gigantesco.
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Montoliu asegura que esta técnica, perfeccionada con su descubrimiento, puede conseguir modificar genes de manera mucho más eficaz. Los CRISPR-Cas pueden reactivarlos o desactivarlos, y su diana son las enfermedades congénitas. "El albinismo es una de ellas. Pero hay otras más complejas, como algunos tipos de cánceres de la sangre, como linfomas o leucemias, la diabetes o ciertas enfermedades neurodegenerativas, siempre y cuando conozcamos los genes que debemos editar".
Bebés modificados genéticamente
Actualmente hay alrededor de 70 ensayos clínicos en todo el mundo inspirados en las herramientas de edición genética CRISPR-Cas, y eso tan sólo once años después de que Charpentier y Doudna desarrollaran su premiada investigación. Es un triunfo asombroso y hay decenas de pacientes que ya se están beneficiando. A pesar de todo, Montoliu recuerda que aún no hay un tratamiento aprobado que utilice este tipo de terapias de manera general. Aún no. "Los beneficios reportados son de pacientes reclutados en ensayos clínicos de fase 1, 2 y hasta 3, en los cuales se está estudiando su posible utilización". Aún queda mucho tiempo para que llegue a los hospitales.
Pese a las enormes posibilidades que ofrecen las terapias genéticas para salvar la vida de pacientes con alteraciones, existe un reverso tenebroso derivado de la mala praxis médica. El caso paradigmático es el del científico He Jiankui, considerado el creador de los primeros bebés modificados genéticamente, que fue sentenciado a tres años de cárcel y a pagar una multa de 380.000 euros por realizar experimentos con embriones humanos.
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Mediante la tecnología de modificación genética CRISPR-Cas9, Jiankui trató de alterar un gen llamado CCR5. Su objetivo era evitar que los bebés padeciesen VIH, virus del que sus padres eran portadores. Aunque su objetivo era correcto, los resultados no fueron los esperados, ya que creó alteraciones genéticas inéditas cuya evolución, de momento, es imprevisible. La comunidad científica se indignó y condenó la falta de ética del científico, arguyendo que los efectos a medio y largo plazo podrían ser devastadores.
"Uno de los principales riesgos de estas herramientas es pensar que uno va a curar el cáncer cuando no tiene claro si esto no puede generar otros problemas", asegura el artífice de la investigación, Raúl Pérez-Jiménez, profesor de investigación Ikerbasque en el CIC bioGUNE. "Es una tijera molecular que puede cortar donde quieres... y donde no. Queda mucha investigación por delante. Otro riesgo, desde el punto de vista ético, es que a alguien se le ocurra editar los genes de sus hijos para hacerlos más altos, con los ojos de un color u otro. O elegir humanos a la carta. Todo esto se puede hacer de forma potencial".
El sistema CRISPR-Cas permite modificar el genoma, cambiar la receta de lo que ocurre en nuestro cuerpo. Por eso, sugiere Pérez-Jiménez, las investigaciones en materia de edición genética y sus posibles aplicaciones en seres humanos siempre deben regirse por un estricto código ético que penalice las malas praxis profesionales.
Un viaje a través del tiempo
Cuando Raúl Pérez-Jiménez, Francis Mojica y Lluís Montoliu comenzaron este experimento hace cuatro años, nunca imaginaron lo lejos, literalmente, que podrían llegar ni las potenciales implicaciones que tendría su descubrimiento. Los tres científicos se preguntaron cómo debieron ser las proteínas CRISPR-Cas de hace centenares de millones de años y, a través de un procedimiento matemático realizado por una suerte de superordenador o cluster que tiene cien veces la capacidad de un ordenador convencional, elaboraron un árbol filogenético mediante un software predictivo. Así pudieron reconstruir genes de hace 37, 200 y hasta 2.600 millones de años.
Una vez el ordenador les dijo la secuencia genética, la convirtieron en una proteína de verdad en un laboratorio –de ahí la palabra 'resurrección', aunque realmente es una reconstrucción– y se la transmitieron a células humanas en cultivo para editar sus genes. Esas proteínas ancestrales siguieron funcionando como herramientas de edición de ADN. Su hipótesis se confirmaba: no eran detectadas por los anticuerpos.
Raúl-Pérez Jiménez, líder de la investigación que ha 'resucitado' proteínas de bacterias de hace 2.600 millones de años
Su descubrimiento supone una auténtica revolución. Las CRISPR-Cas más modernas cortan ADN de doble cadena, la típica doble hélice del genoma. Sin embargo, las más antiguas son 'monocatenarias', es decir, están preparadas para cortar una cadena, lo que las hace perfectamente compatibles con las teorías sobre el origen de la vida. "La proteína ancestral de hace 2.600 millones de años corta ADN de doble cadena, de cadena simple o ARN y le da igual el sustrato", recuerda Pérez-Jiménez.
"Los sistemas CRISPR-Cas actuales son muy potentes, y la mayoría de las herramientas derivadas de ellos utilizan la actividad de corte de doble cadena", añade Francis Mojica. "Pero se han desarrollado otras variantes en las que sólo se corta una, y eso ofrece una serie de ventajas que, combinadas con otros componentes, hacen que se gane en especificidad. Las proteínas ancestrales ya hacían eso. Siempre es mejor contar con una herramienta natural que con una modificada. Porque cuando alguien la modifica en laboratorio, puedes ver afectadas otras propiedades y actividades de la proteína".
PREGUNTA.– ¿Qué aplicaciones actuales tiene CRISPR-Cas y a cuáles van a poder ayudar estos descubrimientos?
RESPUESTA.– (Pérez-Jiménez) Muchos tipos de cáncer. La hemofilia. El ELA. En otro caso hay desórdenes, no enfermedades, como el albinismo, que es una condición que se ha ligado a mutaciones de determinados genes. Hay miles, desde las más conocidas a las más raras. ¿Qué pasa? Que los sistemas CRISPR-Cas provienen de bacterias que sirven para atacar a virus, y hay ciertas restricciones que hacen que no todas las mutaciones se puedan corregir con el sistema actual. Lo increíble es que algunos de los sistemas que hemos descubierto nosotros tienen el potencial de hacerlo, porque son mucho más flexibles en cuanto a las restricciones moleculares. Es una herramienta multiusos. En vez de un alicate, tienes una navaja suiza.
P.– ¿Cuál es el siguiente paso?
RESPUESTA.– (Montoliu) Lo que hemos hecho es verificar que funcionan en células en cultivo. Dista mucho de ser un experimento final, porque primero hay que probarlo en animales, como ratones o peces cebra, y confirmar que esas herramientas son capaces de cortar los genes que queremos editar. Tienen que ser eficaces. Una vez comprobado en animales, hay que plantearlo en ensayos clínicos para acabar de utilizar la herramienta tal y como se pensó. Los actuales no las podemos utilizar en pacientes, ya que corremos el riesgo de que el propio paciente conozca estas proteínas, las rechace y no les traslade su actividad terapéutica porque el sistema inmunitario se las quite de encima.
P.– ¿Se manejan fechas para acabar ensayos clínicos y empezar a utilizar estas herramientas de manera general?
R.– (Montoliu) Esto es imprevisible. Los editores CRISPR-Cas se describieron en 2012 y los primeros en utilizarlas publicaron resultados en enero de 2013. Se cumplen 10 años de esas publicaciones. David Lew ideó los editores de base en 2016. En primavera de 2022 se trató a Alyssa, la niña británica con leucemia, con editores de base. Y se la trató seis años después de haberse descubierto estas herramientas. No se sabe cuándo van a universalizarse, pero lo cierto es que los plazos que estamos viendo son de 6-10 años. Es lo que puedo decir. Hace 10 años se descubrieron y ya se están poniendo en práctica en ensayos clínicos.
P.– Hablamos de 'resurrección' de proteínas, pero por todo lo que señalan parece más apropiado hablar de reconstrucción. ¿Existieron realmente estas bacterias milenarias?
R.– (Mojica) Técnicamente no resucitamos bacterias; lo que hemos hecho ha sido reconstruir proteínas. Y sobre si existieron... En fin, en los temas de evolución, salvo que haya un registro fósil, no se puede garantizar que algo fuera realmente así. Es una reconstrucción basada en probabilidades. No podemos tener ninguna garantía. Es lo que tiene la evolución. Todo es muy hipotético. Se basa en presunciones, en estimaciones y, en este caso, en un soporte matemático e informático muy sólido, pero siguen siendo elucubraciones. Un aspecto que me gusta de este trabajo es que va más allá que la mayoría de estudios evolutivos en el campo de los procariotas, que son meramente hipotéticos.
El descubrimiento de estos tres científicos españoles –y todos los que han colaborado en el estudio– permitirá perfeccionar los sistemas de edición genético. Aunque aún queda mucha investigación por delante, las terapias de modificación de genes suponen una revolución científica sin precedentes, pues permiten cortar, pegar, activar o desactivar –jugar, en esencia– con el abecedario humano. Y aunque ello implica algunos riesgos debido a posibles malas praxis, en el horizonte se atisba un rayo de esperanza para todos aquellos millones de personas que padecen y padecerán enfermedades incurables. Los sistemas CRISPR-Cas y las proteínas de las bacterias ancestrales que han resucitado, o reconstruido, o recuperado Pérez-Jiménez, Montoliu y Mojica, son potenciales acicates para transformar la medicina para siempre.
