Premio Nobel de química 2020

Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna son galardonadas con el Premio Nobel de Química 2020 por el descubrimiento de una de las herramientas más afiladas de la tecnología genética: las tijeras genéticas CRISPR/Cas9.

Tijeras genéticas: una herramienta para reescribir el código de la vida.

Los investigadores pueden usar las llamadas tijeras genéticas para cambiar el ADN de animales, plantas y microorganismos con una precisión extremadamente alta.  Esta tecnología ha revolucionado las ciencias de la vida a nivel molecular, ha brindado nuevas oportunidades para el mejoramiento de las plantas, está contribuyendo a innovadoras terapias contra el cáncer y puede hacer realidad el sueño de curar las enfermedades hereditarias.

Uno de los atractivos de la ciencia es que es impredecible, nunca se puede saber de antemano a dónde puede llevar una idea o una pregunta. A veces una mente curiosa se encuentra con un callejón sin salida, a veces se encuentra con un laberinto espinoso que toma años para navegar.

Pero, de vez en cuando, se da cuenta de que es la primera persona que mira un horizonte de posibilidades incalculables. El editor de genes llamado CRISPR-Cas9 es uno de esos descubrimientos inesperados con un potencial impresionante. Cuando Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna comenzaron a investigar el sistema inmunológico de la bacteria Streptococcus, una idea era que tal vez podrían desarrollar una nueva forma de antibióticos. En su lugar, descubrieron una herramienta molecular que puede ser utilizada para hacer incisiones precisas en el material genético, haciendo es posible cambiar fácilmente el código de la vida.

Una poderosa herramienta que afecta a todos

Apenas ocho años después de su descubrimiento, estas tijeras genéticas han dado nueva forma a las ciencias de la vida. Bioquímicos y los biólogos celulares pueden ahora investigar fácilmente las funciones de los diferentes genes y su posible papel en la progresión de la enfermedad. En el cultivo de plantas, los investigadores pueden dar a las plantas características específicas, como la capacidad de soportar la sequía en un clima más cálido. En medicina, este editor de genes está contribuyendo a nuevas terapias contra el cáncer y a los primeros estudios que intentan curar enfermedades hereditarias.

Hay casi un sinfín de ejemplos de cómo podría utilizarse CRISPR-Cas9, que también incluyen aplicaciones no éticas. Como toda tecnología poderosa, estas tijeras genéticas necesitan ser reguladas.

En 2011, ni Emmanuelle Charpentier ni Jennifer Doudna tenían idea de que su primer encuentro, en un café de Puerto Rico, era un encuentro que cambiaría su vida. Empezaremos presentando a Charpentier, que inicialmente propuso su colaboración.

Charpentier está fascinada por las bacterias patógenas

Algunas personas la han llamado impulsiva, atenta y minuciosa. Otros dicen que Emmanuelle Charpentier siempre busca lo inesperado. Ella misma cita a Louis Pasteur, “La suerte favorece a las mentes preparadas“. El impulso de hacer nuevos descubrimientos y el deseo de ser libre e independiente han gobernado su camino. Incluyendo sus estudios de doctorado en el Instituto Pasteur de París, ha vivido en cinco diferentes países, siete ciudades diferentes y trabajaba en diez instituciones diferentes.

Su entorno y sus enfoques han cambiado, pero la mayoría de sus investigaciones tienen un común denominador: bacteria patógena. ¿Por qué son tan agresivas? ¿Cómo desarrollan su resistencia a los antibióticos? ¿Y es posible encontrar nuevos tratamientos que puedan detener su progreso?

Emmanuel Charpentier, ganadora del premio Nobel de química 2020
Emmanuel Charpentier, ganadora del premio Nobel de química 2020

En 2002, cuando Emmanuelle Charpentier comenzó su propio grupo de investigación en la Universidad de Viena, se centró en una de las bacterias que causan el mayor daño a la humanidad: Streptococcus pyogenes.

Cada año, infecta a millones de personas, a menudo causando infecciones fácilmente tratables como la amigdalitis y el impétigo. Sin embargo, también puede causar una sepsis que pone en peligro la vida y descomponer los tejidos blandos del cuerpo, lo que le da una reputación de “come-carne”.

Para entender mejor a la S. pyogenes, Charpentier comenzó investigando a fondo cómo se regulan los genes de esta bacteria. Esta decisión fue el primer paso en el camino hacia el descubrimiento de las tijeras genéticas – pero antes de seguir caminando por ese camino, averiguaremos más sobre Jennifer Doudna. Porque mientras Charpentier hace estudios detallados de S. pyogenes, Doudna escucha – por primera vez – una abreviatura que ella cree que suena como Crisper.

La ciencia – tanto la aventura como la historia de un detective

Incluso cuando era niña y crecía en Hawai, Jennifer Doudna tenía una fuerte necesidad de saber cosas. Un día, su padre puso el libro de James Watson La Doble Hélice en su cama. Esta historia de estilo detectivesco sobre cómo James Watson y Francis Crick resolvieron la estructura de la molécula de ADN no se parece a nada que ella haya leído en sus libros de texto. Quedó cautivada por el proceso científico y se dio cuenta de que la ciencia es más que sólo hechos.

Sin embargo, cuando empezó a resolver misterios científicos, su atención no estaba en el ADN, sino en su hermano molecular: ARN. En 2006, cuando la conocemos, dirige un grupo de investigación en la Universidad de California, Berkeley, y tiene dos décadas de experiencia en el trabajo con el ARN. Tiene la reputación de ser una investigadora de éxito con un olfato para los proyectos innovadores, y recientemente ha entrado en una nueva y apasionante área: Interferencia de ARN.

Jennifer Doudna, ganadora del premio Nobel de química 2020
Jennifer Doudna, ganadora del premio Nobel de química 2020

Durante muchos años, los investigadores creyeron que comprendían la función básica del ARN, pero de pronto descubrieron muchas pequeñas moléculas de ARN que ayudan a regular la actividad genética en las células. La participación de Jennifer Doudna en la interferencia de ARN es la razón por la que, en 2006, recibió una llamada telefónica de un colega de un departamento diferente.

Las bacterias llevan un antiguo sistema inmunológico

Su colega, que es microbióloga, le cuenta a Doudna un nuevo descubrimiento: cuando los investigadores comparan el material genético de bacterias muy diferentes, así como de archaea (un tipo de microorganismo), encuentran secuencias repetitivas de ADN que están sorprendentemente bien conservadas. El mismo código aparece una y otra vez, pero entre las repeticiones hay secuencias únicas que difieren. Es como si la misma palabra se repitiera entre cada frase única de un libro.

Estos conjuntos de secuencias repetidas se denominan repeticiones palindricas cortas, regularmente espaciadas, abreviadas como CRISPR. Lo interesante es que las secuencias únicas y no repetitivas en CRISPR parecen coincidir con el código genético de varios virus, por lo que el pensamiento actual es que esta es una parte de un antiguo sistema inmunológico que protege a las bacterias y archaea de los virus. La hipótesis es que, si una bacteria ha logrado sobrevivir a una infección de virus, añade una parte del código genético del virus a su genoma como recuerdo de la infección.

Nadie sabe aún cómo funciona todo esto, pero se sospecha que el mecanismo utilizado por las bacterias para neutralizar un virus es similar al estudiado por Doudna: la interferencia de ARN.

Doudna traza un mapa de una compleja maquinaria

Esta noticia es notable y emocionante. Si es cierto que las bacterias tienen un sistema inmunológico antiguo, entonces esto es algo importante. El sentido de intriga molecular de Jennifer Doudna cobra vida y comienza a aprender todo lo que puede sobre el sistema CRISPR.

Resulta que, además de las secuencias de CRISPR, los investigadores han descubierto genes especiales que han llamado “asociado a CRISPR”, abreviado como “cas”. Lo que Doudna considera interesante es que estos genes son muy similares a los genes que codifican las proteínas ya conocidas que se especializan en desenrollar y cortar el ADN. Entonces, ¿las proteínas Cas tienen la misma función? ¿Cortan el ADN del virus?

Pone a trabajar a su grupo de investigación y, después de unos años, han logrado revelar la función de varias proteínas Cas diferentes. Paralelamente, un puñado de otros grupos de investigación en otras universidades están estudiando el recién descubierto sistema CRISPR/Cas. Su mapeo muestra que el sistema inmunológico de las bacterias puede tomar formas muy diferentes. El sistema CRISPR/Cas estudiado por Doudna pertenece a la clase 1; es una maquinaria compleja que requiere muchas proteínas Cas diferentes para desarmar un virus. Los sistemas de clase 2 son significativamente más simples porque necesitan menos proteínas. En otra parte del mundo, Emmanuelle Charpentier acaba de encontrarse con un sistema de este tipo.

Una nueva y desconocida pieza del puzzle del sistema CRISPR

Cuando dejamos a Emmanuelle Charpentier, ella estaba viviendo en Viena, pero en 2009 se mudó a un puesto con buenas oportunidades de investigación en la Universidad de Umeå en el norte de Suecia. Se le advirtió sobre la posibilidad de mudarse a una parte tan remota del mundo, pero el largo y oscuro invierno le permite mucha paz y tranquilidad para trabajar.

Y ella lo necesita. También está interesada en las pequeñas moléculas de ARN que regulan los genes y, trabajando con investigadores de Berlín, ha hecho un mapa de los pequeños ARN que se encuentran en S. pyogenes. Los resultados le han dado mucho que pensar, porque una de las pequeñas moléculas de ARN que existe en grandes cantidades en esta bacteria es una variante aún desconocida, y el código genético de este ARN está muy cerca de la secuencia CRISPR peculiar en el genoma de la bacteria.

Las similitudes entre ambos hacen que Charpentier sospeche que están vinculados. El análisis cuidadoso de sus códigos genéticos también revela que una parte de la pequeña y desconocida molécula de ARN coincide con la parte de CRISPR que se repite. Es como encontrar dos piezas de un rompecabezas que se unen perfectamente.

Charpentier nunca había trabajado con CRISPR, pero su grupo de investigación inicia un minucioso trabajo detectivesco microbiológico para mapear el sistema CRISPR en S. pyogenes. Este sistema, que pertenece a la clase 2, ya se sabía que sólo requería una sola proteína Cas, Cas9, para descomponer el ADN del virus. Charpentier muestra que la molécula de ARN desconocida, que se denomina ARN cruzado activador (racrRNA), también tiene una función decisiva; es necesario que el ARN largo que se crea a partir de la secuencia de CRISPR en el genoma madure en su forma activa.

Después de una intensa y específica experimentación, Emmanuelle Charpentier publica el descubrimiento de tracrRNA en marzo de 2011. Sabe que está pisando los talones de algo muy emocionante. Tiene muchos años de experiencia en microbiología y en su continua investigación del sistema CRISPR-Cas9 quiere cooperar con un bioquímico. Jennifer Doudna es la elección natural. Así que esa primavera, cuando Charpentier es invitada a una conferencia en Puerto Rico para hablar de sus hallazgos, su objetivo es conocer a esta hábil investigadora de Berkeley.

Una reunión que cambia la vida en un café puertorriqueño

Por coincidencia, se encuentran en un café el segundo día de la conferencia. Un colega de Doudna los presenta y, al día siguiente, Charpentier les propone que exploren juntos las partes antiguas de la capital. Mientras pasean por las calles empedradas, empiezan a hablar de su investigación. Charpentier se pregunta si Doudna está interesado en una colaboración, ¿le gustaría participar en el estudio de la función de Cas9 en el sencillo sistema de clase 2 de S. pyogenes?

Jennifer Doudna está intrigada, y ellos y sus colegas hacen planes para el proyecto a través de reuniones digitales. Su sospecha es que el ARN-CRISPR es necesario para identificar el ADN de un virus, y que Cas9 es la tijera que corta la molécula de ADN. Sin embargo, no pasa nada cuando prueban esto in vitro. La molécula de ADN permanece intacta. ¿Por qué? ¿Hay algo malo con las condiciones experimentales? ¿O es que el Cas9 tiene una función completamente diferente?

Después de una gran cantidad de lluvia de ideas y numerosos experimentos fallidos, los investigadores finalmente añaden el tracrRNA a sus pruebas. Anteriormente, creían que el tracrRNA sólo era necesario cuando el CRISPR-RNA se escindía en su forma activa, pero una vez que el Cas9 tuvo acceso al tracrRNA lo que todos esperaban sucedió realmente: la molécula de ADN se escindió en dos partes.

Las soluciones evolutivas han sorprendido a menudo a los investigadores, pero esto fue algo extraordinario. El arma que los estreptococos han desarrollado para protegerse de los virus es simple y efectiva, incluso brillante. La historia de las tijeras genéticas podría haberse detenido aquí; Charpentier y Doudna habían descubierto un mecanismo fundamental en una bacteria que causa gran sufrimiento a la humanidad. Ese descubrimiento fue sorprendente en sí mismo, pero el azar favorece a las mentes preparadas.

Un experimento que hizo época

Los investigadores deciden intentar simplificar las tijeras genéticas. Usando sus nuevos conocimientos sobre el tracrRNA y el CRISPR-RNA, descubrieron cómo fusionarlos en una sola molécula, a la que llamaron ARN guía. Con esta variante simplificada de las tijeras genéticas, emprenden un experimento que hace época: investigan si pueden controlar esta herramienta genética para que corte el ADN en un lugar decidido por los investigadores.

Para entonces, los investigadores saben que están cerca de un gran avance. Toman un gen que ya está en un congelador en el laboratorio de Doudna y seleccionan cinco lugares diferentes donde el gen debe ser cortado. Luego cambian la parte del CRISPR de las tijeras para que su código coincida con el código donde se harán los cortes. El resultado fue abrumador. Las moléculas de ADN fueron cortadas exactamente en los lugares correctos.

Las tijeras genéticas cambian las ciencias de la vida

Poco después de que Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna publiquen su descubrimiento de las tijeras genéticas CRISPR/Cas9 en 2012, varios grupos de investigación demuestran que esta herramienta puede utilizarse para modificar el genoma de las células tanto de los ratones como de los humanos, lo que conduce a un desarrollo explosivo. Anteriormente, cambiar los genes de una célula, planta u organismo llevaba mucho tiempo y a veces era imposible. Utilizando las tijeras genéticas, los investigadores pueden – en principio – hacer cortes en cualquier genoma que deseen. Después de esto, es fácil utilizar los sistemas naturales de la célula para la reparación del ADN, de modo que reescriban el código de la vida.

Ganadoras del premio Nobel de química 2020
Ganadoras del premio Nobel de química 2020

Debido a que esta herramienta genética es tan fácil de usar, ahora está muy extendida en la investigación básica. Se utiliza para cambiar el ADN de las células y los animales de laboratorio con el fin de comprender cómo funcionan e interactúan los diferentes genes, por ejemplo, durante el curso de una enfermedad.

Las tijeras genéticas también se han convertido en una herramienta estándar en el cultivo de plantas. Los métodos utilizados anteriormente por los investigadores para modificar los genomas de las plantas a menudo requerían la adición de genes para la resistencia a los antibióticos. Cuando se plantan los cultivos, existía el riesgo de que esta resistencia a los antibióticos se extendiera a los microorganismos circundantes. Gracias a las tijeras genéticas, los investigadores ya no necesitan utilizar estos métodos antiguos, ya que ahora pueden hacer cambios muy precisos en el genoma.

Entre otras cosas, han editado los genes que hacen que el arroz absorba los metales pesados del suelo, lo que ha permitido mejorar las variedades de arroz con menores niveles de cadmio y arsénico. Los investigadores también han desarrollado cultivos que resisten mejor la sequía en un clima más cálido, y que resisten a insectos y plagas que de otra manera tendrían que ser tratados con pesticidas.

La esperanza de curar las enfermedades hereditarias

En medicina, las tijeras genéticas están contribuyendo a nuevas inmunoterapias para el cáncer y se están llevando a cabo pruebas para hacer realidad un sueño: curar las enfermedades hereditarias. Los investigadores ya están realizando ensayos clínicos para investigar si pueden usar CRISPR/Cas9 para tratar enfermedades de la sangre como la anemia falciforme y la beta-talasemia, así como enfermedades oculares hereditarias.

También están desarrollando métodos para reparar los genes en órganos grandes, como el cerebro y los músculos. Los experimentos con animales han demostrado que los virus especialmente diseñados pueden llevar las tijeras genéticas a las células deseadas, tratando modelos de enfermedades hereditarias devastadoras como la distrofia muscular, la atrofia muscular espinal y la enfermedad de Huntington. Sin embargo, la tecnología necesita ser reinventada antes de que pueda ser probada en humanos.

El poder de las tijeras genéticas requiere una regulación

Además de todos sus beneficios, las tijeras genéticas también pueden ser mal utilizadas. Por ejemplo, esta herramienta puede ser utilizada para crear embriones genéticamente modificados. Sin embargo, durante muchos años ha habido leyes y reglamentos que controlan la aplicación de la ingeniería genética, que incluye la prohibición de modificar el genoma humano de manera que los cambios puedan ser heredados. Además, los experimentos en los que participen seres humanos y animales deben ser siempre revisados y aprobados por comités éticos antes de su realización.

Una cosa es cierta: estas tijeras genéticas nos afectan a todos. Nos enfrentaremos a nuevos problemas éticos, pero esta nueva herramienta puede contribuir a resolver muchos de los retos a los que se enfrenta la humanidad. A través de su descubrimiento, Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna desarrollaron una herramienta química que ha llevado a las ciencias de la vida a una nueva época. Nos han hecho mirar hacia un vasto horizonte de potencial inimaginable y, a lo largo del camino, a medida que exploramos esta nueva tierra, se nos garantiza que haremos nuevos e inesperados descubrimientos.

Traducido y adaptado del comunicado de prensa de la Real academia de Ciencias de Suecia por quimicafacil.net

Para más información Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2020