Las bacterias surgieron hace unos 3.500 millones de años. Desde entonces, han perfeccionado un mecanismo por el que su ADN guarda trozos de virus con el objetivo de que, si en el futuro vuelven a reinfectarse, esta defensa literalmente corta la infección, eliminándola del organismo. Este sistema, bautizado como CRISPR (siglas en inglés de ‘repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente espaciadas’) por su descubridor, el genetista alicantino Francis Mojica, se ha convertido en una técnica revolucionaria que permite crear modificaciones genéticas ‘a la carta’: desde trigo apto para celíacos a ovejas que dan mejor lana, incluyendo nuevas terapias experimentales que se han convertido en la esperanza de muchos pacientes con enfermedades genéticas. Y todo de una forma precisa y, además barata, solo usando el mecanismo refinado durante millones de años por las ‘humildes’ bacterias.
El método es ‘sencillo’: CRISPR utiliza una s guías y una proteína (la nucleasa Cas9) para dirigirse a zonas concretas del ADN y cortar. A partir de ahí, de manera natural se pegan los extremos y se inactiva el gen. Es por ello que se ha bautizado como el ‘cortapega genético‘. Sin embargo, la mayoría de las bacterias de las que se conoce este mecanismo habitan tan estrechamente a nuestro alrededor que estamos inmunizados a su sistema, y esas proteínas no funcionan con nosotros. Es por ello que los científicos llevan tiempo buscando en zonas recónditas, como la Antártida, la cima del Everest o la Fosa de las Marianas, para encontrar especies bacterianas mucho más exóticas con las que no hemos tenido contacto y sus proteínas (las nucleasas Cas) funcionen en nosotros. El enfoque del grupo español es totalmente novedoso.
«Nosotros, en lugar de buscar en el espacio, hemos buscado en el tiempo», explica a ABC Lluis 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). «Hemos hecho una especie de ‘regreso al futuro’ en busca de nucleasas distintas». Su equipo, junto con el de Rául Pérez-Jiménez, investigador del CIC nanoGUNE y el del propio Mojica en la Universidad de Alicante, junto con otros colaboradores son los artífices de este ‘viaje al pasado’, que les ha llevado a resucitar sistemas CRISPR de bacterias que vivieron hasta hace 2.600 millones de años. Su trabajo acaba de publicarse en la revista ‘Nature Microbiology‘.
La máquina del tiempo: un superordenador
La idea nació en la cabeza de los investigadores allá por 2018. En vez de desplazarse a lugares remotos, ¿por qué no viajar a través de la historia del ADN y rescatar antiguas bacterias con diferentes nucleasas, como se hace cuando se estudian especies extintas a través de las actuales emparentadas? El primer problema era cómo hacerse con este material genético ancestral: los restos más antiguos encontrados hasta la fecha se remontan a hace dos millones de años. «Puede parecer mucho; pero si tienes en cuenta que la Tierra se creó hace 4.500 millones y que hay pruebas de que las primeras bacterias surgieron hace 3.500 millones, hay mucho margen para explorar», señala Montoliu. En ese momento entró en juego el equipo de Pérez-Jiménez, experto en paleoenzimología y bioinformática.
Su trabajo es observar la evolución de las proteínas desde el origen de la vida hasta nuestros días. Realizan reconstrucciones ancestrales de proteínas y genes de organismos extintos para observar qué cualidades tenían y si se pueden utilizar en aplicaciones biotecnológicas. En este caso concreto, reunieron 59 especies de bacterias actuales de las que se conoce su sistema CRISPR Cas9 y los datos se metieron en un superordenador que, después, se encargó de dar marcha atrás en el tiempo para retroceder el sistema inmunitario de las bacterias. Como cuando se emparenta el ADN de diferentes especies para encontrar a sus ancestros comunes, pero en este caso solo con el sistema CRISPR (en ningún caso se resucitó la bacteria completa).
El ordenador les permitió hacer cinco ‘paradas’ en su viaje en el tiempo para observar -de manera computacional, al menos- cómo eran los sistemas CRISPR de bacterias antiguas; en concreto, obtuvieron resultados de hace 37, 137, 200, 1.000 y 2.600 millones de años. Después, la idea era ‘resucitar’ esos sistemas con las secuencias de enzimas aportadas por el ordenador y probarlos en células humanas vivas con el objetivo de ver si podrían seguir cortando el ADN.
Las bacterias refinan sus armas
«Era algo bastante osado, porque no teníamos ni idea de qué podía salir», señala Montoliu. «Pero descubrimos que estos sistemas no solo funcionan en células vivas, sino que son más versátiles que las versiones actuales, lo que podría tener aplicaciones revolucionarias en el futuro, como en tratamientos contra enfermedades genéticas». El equipo español constató que estos sistemas, en efecto, funcionaban y que, además, comparten en un 50% su estructura con los de ahora, si bien es cierto que funcionan de forma más tosca cuanto más antiguos son.
«El que mejor lleva a cabo su función con células actuales es el CRISPR de hace 37 millones de años, y se va volviendo cada vez más ‘tosco’ cuanto más retrocedemos. Pero, teniendo en cuenta que el ADN más antiguo que hemos recuperado es de hace dos millones de años, este trabajo es totalmente revolucionario». Esto también refuerza la idea de que el sistema de las bacterias ha ido refinándose con el tiempo, adaptándose a los nuevos virus.
Montoliu recalca que este experimento es en base a datos reconstruidos por ordenador; es decir, no se basan directamente en ADN recuperado. «Sin restos no podemos saber, al menos con la tecnología actual, si estos sistemas eran exactamente así hace millones de años», afirma el investigador. «Sin embargo, el hecho de que, por ejemplo los más antiguos corten solo una cadena de ADN concuerda con la idea que se tiene de que las primeras formas de vida se basaban en ARN y solo tenían una cadena sencilla».
«Esta investigación supone un extraordinario avance en el conocimiento sobre el origen y evolución de los sistemas CRISPR-Cas. En cómo la presión selectiva de los virus ha ido puliendo a lo largo de miles de millones de años una maquinaria rudimentaria, poco selectiva en sus inicios, hasta convertirla en un sofisticado mecanismo de defensa capaz de distinguir con gran precisión el material genético de invasores indeseados que debe destruir, de su propio ADN que debe preservar», afirma en un comunicado Francis Mojica, investigador de la Universidad de Alicante y descubridor de la técnica CRISPR-Cas.
En cuanto a aplicaciones futuras, esta nueva técnica abre la puerta «una herramienta más versátil para corregir mutaciones que hasta ahora eran no editables o se corregían de manera poco eficiente», señala Miguel Ángel Moreno, jefe del servicio de Genética del Hospital Ramón y Cajal e investigador del CIBERER. Su equipo ha desarrollado la herramienta Mosaic Finder, que ha permitido caracterizar, mediante secuenciación masiva y análisis bioinformático, el efecto de la edición del genoma producido por Cas ancestrales en células humanas en cultivo. Es decir, cómo funcionaban estos sistemas antiguos en células vivas actuales.
Por su parte, 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 tales como ELA, cáncer, diabetes, o incluso como herramienta de diagnóstico de enfermedades».
