La Biotecnología como Futuro de la agronomía

CRISPR-Cas9: una herramienta revolucionaria

CRISPR-Cas9 es una técnica que surgió a raíz de las investigaciones de Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier en 2012. Está inspirada, como explicaremos más adelante, en un sistema inmune bacteriano, descubierto por Francisco J. M. Mojica. Este investigador ilicitano descubrió estas secuencias repetitivas en el año 1993, acuñó el nombre de CRISPR en el año 2002 y propuso la función de sistema inmune bacteriano en 2005. Todas estas investigaciones sentaron las bases de esta poderosísima herramienta de edición genética.

Tras la decisión en 2018 del tribunal de justicia europeo de considerar la técnica de edición genética CRISPR como organismos genéticamente modificados, cada vez son más las voces públicas que defienden el uso de esta técnica y ven en ella una enorme oportunidad de avanzar e innovar en el sector agroalimentario. Prueba de ello son las manifestaciones públicas de la ministra de agricultura alemana Julia Klöckner, quien ha defendido en enero de este mismo año esta técnica de edición genética.

En general podría decirse que existe una guerra entre la comunidad científica, que en su mayoría parece estar a favor de su uso controlado para mejorar los cultivos, y la comunidad ecologista, con organizaciones como Greenpeace a la cabeza, que califican a estas técnicas como “los nuevos transgénicos” y, por supuesto, están en contra de su uso. No pretendo en este caso desprestigiar a ninguna de las dos comunidades, puesto que, en parte, ambas tienen algo de razón y presupongo que ambas quieren lo mejor para la sociedad, por lo que me limitaré a añadir al final de este mismo post un artículo de la fundación Antama, partidaria del uso de CRISPR, y otro artículo de Greenpeace, partidarios de lo contrario. Juzguen ustedes qué argumentos os convencen más.

En este post, por tanto, voy a intentar exponer por qué es importante saber en qué consiste esta técnica y qué impacto tiene o podría tener en el sector agroalimentario.

En qué consiste CRISPR

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) son secuencias de ADN, de aproximadamente 25-50 nucleótidos de longitud, separadas por secuencias cortas llamadas espaciadores (que son complementarios al ADN viral). Su origen es bacteriano y su función biológica es conseguir una inmunidad adquirida hacia los virus que infectan a estas bacterias. La idea es que la bacteria guarda parte del ADN viral en su propio ADN, de forma que, si el virus vuelve a infectar a la bacteria, ésta transcribe estas secuencias en ARN que son capaces de unirse a la proteína Cas (Crispr ASsociated) y dirigirla hasta el ADN del virus, reconociéndolo y cortándolo. De ahí que a este sistema se le atribuya el término de tijeras moleculares. Su historia y funcionamiento molecular en más detalle podéis conocerlo a través del propio descubridor, Francisco J.M. Mojica, en este vídeo.

Proceso de infección e incorporación de un nuevo espaciador al ADN bacteriano. Los triángulos negros representan las secuencias CRISPR, mientras que los rectángulos de colores representan espaciadores que ya ha incorporado la bacteria previamente. Imagen tomada de Horvath et al. 2010.

Para entender su aplicación hay que detallar un poco más cómo es capaz la proteína CAS de reconocer al virus y cortar su ADN. En primer lugar se transcriben el ADN que contiene la secuencia de los espaciadores flanqueados por las secuencias repetitivas (pre-crRNA), los genes cas y un RNA trans-activador (tracrRNA) cuya función veremos más adelante.

Hay que tener en cuenta que este pre-crRNA contiene todos los espaciadores que haya incorporado la bacteria hasta ese momento, es decir, es como si sacáramos todas las «vacunas» que conocemos a la vez, lo cual no es práctico si sólo queremos utilizar una. Por ello la bacteria procesa este pre–crRNA, cortándolo en pequeños fragmentos que contengan sólo un espaciador flanqueado por las secuencias repetidas. El responsable de iniciar este procesamiento es tracrRNA. Una vez procesado el crRNA (el espaciador + CRISPR), este se une por la secuencia CRISPR al tracrRNA por complementariedad de bases. La unión crRNA y tracrRNA es la que permite unir y dirigir a la proteína Cas9 hacia el ADN invasor.

Respuesta a una infección de un virus al que ya ha sido expuesto la bacteria. El transactivador (tracrRNA) no aparece en la imagen para facilitar la comprensión. Imagen tomada de Horvath et al. 2010.

Pero… ¿Cómo puede esto editar un genoma?

Antes de comenzar a responder a esta pregunta, hay que matizar que, en 2012, se consiguió formar un complejo crRNA+tracrRNA+Cas9 que era completamente funcional en un ensayo in vitro, permitiendo utilizar este complejo como la herramienta de edición que hoy conocemos. El artículo donde se detalla este logro, como se menciona al inicio de este post, marcó el inicio del sistema CRISPR-Cas9 como herramienta de edición genética.

La primera parte de la respuesta a esta pregunta es bastante intuitiva. Si en lugar de estos espaciadores que reconocen virus, diseñamos un ARN guía que sea complementario al ADN que queremos modificar, conseguiremos una enorme especificidad, ya que el complejo CRISPR-Cas9 se unirá y cortará únicamente en el lugar que sea complementario a nuestro ADN guía. Pero a nadie se le escapa que cortar no es editar.

La segunda clave reside en los sistemas de reparación intrínsecos de las células que queramos modificar. En este contexto nos interesan dos mecanismos de reparación que utiliza esta tecnología a su favor. Cuando se produce un corte en el ADN, la célula inmediatamente intenta repararlo para así poder sobrevivir.

Si no tiene un molde en el que basarse para realizar la reparación, el problema (aunque en este caso es una ventaja) es que en este caso el mecanismo de reparación utilizado NHEJ (Non-Homologous End Joining) es propenso a cometer errores, provocando inserciones o delecciones de bases en el genoma que pueden provocar cambios aleatorios en la secuencia del gen que estemos utilizando como diana. Con esto conseguimos inhabilitar el gen diana de manera muy precisa, es decir, impedir que dicho gen pueda acabar sintetizando la proteína para la que codifique para así estudiar la función de dicho gen. En esto caso la tecnología CRISPR-Cas9 no introduce ningún tipo de ADN exógeno, por lo que su acción se limitaría a acelerar un proceso que podría ocurrir de forma natural y equiparable a otras técnicas ampliamente aceptadas como la mutagénesis o el retrocruzamiento de variedades, aunque mucho más controlado en este caso.

Si nosotros proporcionamos a la célula un molde en el que la secuencia esté modificada a nuestro gusto; tras realizar el corte con la proteína Cas9, el sistema de reparación HDR (Homology Directed Repair) de la célula reparará dicho corte utilizando como molde la secuencia que nosotros le hemos proporcionado, de forma que conseguiremos editar el genoma a nuestro antojo. En este caso sí se abre la posibilidad de poder desarrollar transgénicos al poder incorporar como molde una secuencia que no podría ser fruto de una mutación natural.

Imagen auto-explicativa sobre las posibilidades de uso de CRISPR-Cas9 para la edición génica. Imagen tomada de El-Mounadi et al. 2020.

¿Qué aplicación puede tener esta tecnología en la mejora de cultivos?

CRISPR-Cas9 ya se ha utilizado para mejorar rutas metabólicas, adquirir tolerancia a factores de estrés bióticos (hongos, bacterias y virus) y abióticos (frío, sequía o salinidad), mejorar el contenido nutricional, aumentar el rendimiento y la calidad del grano, obtener semillas haploides o conferir resistencia a herbicidas. A continuación explicaré dos ejemplos concretos en arroz en los que se consiguió utilizar con éxito esta técnica. Nótese que, en ninguno de los dos casos, se trata de un organismo transgénico, ya que no se introduce ningún gen exógeno.

En el primero de ellos se consiguió editar un gen (acetolactato sintasa) que es usado como diana por algunos herbicidas. Para conferir resistencia a estos, se había observado en estudios previos que era necesaria cierta mutación en dicho gen. Utilizando CRISPR-Cas9 y un molde que contenía dicha mutación, se consiguió obtener arroz que, efectivamente, era resistente a la acción de estos herbicidas (Sun et al. 2016).

En segundo lugar, se consiguió mutar un gen cuya pérdida de función se traduce en una mayor tolerancia a la salinidad. Además, en este caso se comprobaron otros rasgos como la altura de la planta, rendimiento de la planta, tiempo de floración, etc. sin observarse ninguna alteración en ningún parámetro que no fuese la tolerancia a la salinidad, que sí se vio incrementada (Zhang et al. 2019).

Conclusión

La técnica CRISPR-Cas9 se ha convertido en una herramienta muy poderosa para la edición de genomas, no sólo por su indudable aplicabilidad y su especificidad, sino también por tratarse de una técnica sencilla, rápida y económica en comparación con otros métodos actuales. Sin embargo, en el caso de Europa su desarrollo se ha visto frenado por la legislación actual. De hecho, en el caso de la agricultura, Europa es la segunda región con más restricciones legales del mundo, sólo por delante de México. Es por ello que la comunidad científica europea ha hecho una declaración abierta al parlamento europeo con el fin de que se permita el uso de la edición genética en agricultura.

¿Por qué te interesa?

Como parte del sector agroalimentario, es importante entender las bases de esta revolución biotecnológica, ya que, a pesar de permanecer actualmente en un estado de pausa, parece inevitable su implementación en la agricultura a corto-medio plazo. Esto se debe a que la evolución demográfica presiona a la comunidad científica para mejorar el rendimiento y calidad de los alimentos. Por ello, entender las bases de la técnica y sus aplicaciones permitirá su utilización de manera responsable y beneficiosa para todos.

Os animo, por tanto, a los lectores de este post que dejéis vuestro comentario opinando sobre esta técnica, la legislación vigente, su aplicabilidad o cualquier otro aspecto relacionado con esta entrada.

Enlaces de interés:

Bibliografía:

  • El-Mounadi, K., Morales-Floriano, M. L., & Garcia-Ruiz, H. (2020). Principles, Applications, and Biosafety of Plant Genome Editing Using CRISPR-Cas9. Frontiers in Plant Science11.
  • Horvath, P., & Barrangou, R. (2010). CRISPR/Cas, the immune system of bacteria and archaea. Science327(5962), 167-170.
  • Hull, T. (2019). CRISPR-Cas Technology for Plant Breeding
  • Sun, Y., Zhang, X., Wu, C., He, Y., Ma, Y., Hou, H., … & Xia, L. (2016). Engineering herbicide-resistant rice plants through CRISPR/Cas9-mediated homologous recombination of acetolactate synthase. Molecular plant9(4), 628-631.
  • Zhang, A., Liu, Y., Wang, F., Li, T., Chen, Z., Kong, D., … & Tang, J. (2019). Enhanced rice salinity tolerance via CRISPR/Cas9-targeted mutagenesis of the OsRR22 gene. Molecular breeding39(3), 47.
  • https://ruc.udc.es/dspace/bitstream/handle/2183/19673/PardoPinon_Marta_TFG_2017.pdf.pdf

 

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3 comentarios en “CRISPR-Cas9: una herramienta revolucionaria”

  1. ¡Enhorabuena por el post! He disfrutado mucho leyéndolo.

    Ahora, en la situación de pandemia que estamos, parece curioso que se estén invirtiendo en investigaciones que usan este tipo de técnica de edición génica para estudiar y analizar al Covid-19. ¿Será por qué es una técnica poderosa y verdaderamente útil?

    Igual de todo esto, podemos abrir un estrecho camino hacia la abolición de las restricciones impuestas en este marco legal, mejorando de esta forma no sólo la investigación y el desarrollo biomedico, sino también el agroalimentario.

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