La tecnología CRISPR de edición genética llega a su madurez: tres décadas de un ‘boom’ consolidado y con muchos retos por delante

Este año se han cumplido 30 años de la publicación de un artículo científico con firma española que, aunque en su día no tuvo un gran impacto, pasado el tiempo se ha convertido en una de las piedras fundacionales de una de las grandes revoluciones científicas del siglo XXI: la tecnología de edición genética CRISPR. Este sistema permite desarrollar un ‘corta y pega’ genético para, gracias al uso de ‘tijeras’ moleculares, alterar regiones de nuestro genoma introduciendo cambios de manera muy precisa.

Como explica de manera divulgativa el periodista científico Jesús Méndez, “CRISPR utiliza unas guías y una proteína para dirigirse a zonas elegidas del ADN y cortar; a partir de ahí, se pueden pegar los extremos cortados e inactivar el gen, o introducir moldes de ADN, lo que permite editar sus ‘letras’ a voluntad”. Esta infografía publicada por la Agencia SINC ilustra muy bien cómo funciona CRISPR. Las posibilidades de esta herramienta tienen múltiples aplicaciones potenciales en biotecnología, Medicina, agricultura, energía, botánica…

Junto a los 30 años de este artículo, que lideró el científico español Francis Mojica, en 2023 también se ha cumplido una década de las primeras grandes publicaciones científicas que, en 2012 y 2013 y gracias a la base aportada por Mojica, abrieron la puerta a la aplicación de CRISPR para curar enfermedades humanas, un reto sobre el que se sigue avanzando y que ya ha dejado algunos éxitos. En la actualidad hay cerca de 100 ensayos clínicos que utilizan esta tecnología para desarrollar tratamientos de terapia génica para diversas enfermedades congénitas. Además, el final del año 2023 pasará a la historia por albergar las primeras aprobaciones de terapias basadas en CRISPR: en noviembre, la agencia de medicamentos del Reino Unido ha dado luz verde a un tratamiento para tratar la anemia falciforme y la beta talasemia, autorización también aprobada en diciembre por la agencia reguladora de Estados Unidos.

Volviendo al artículo en cuestión, publicado el 1 de agosto de 1993 en la revista Molecular Microbiology, Francis Mojica explicaba ciertos mecanismos de transcripción genética de la arquea Haloferax mediterranei, un organismo unicelular capaz de sobrevivir en medios extremadamente salinos como las salinas de Santa Pola, en Alicante, donde Mojica realizaba sus investigaciones a principios de los años 90 del siglo pasado. Este científico español estudiaba unas secuencias genéticas en el ADN de la arquea, descritas por un equipo de científicos japoneses unos años atrás en la bacteria Escherichia coli, que quizá podían explicar la capacidad de supervivencia de estos microorganismos procariotas.

Lo que hacía Mojica era una ciencia muy, muy básica, en principio alejada de posibles aplicaciones imaginadas a corto plazo. Poco o nada imaginaba el científico ilicitano hasta qué punto su trabajo iba a convertirse, con el paso de los años, en una auténtica referencia internacional. Como contaba hace unos años el periodista científico Manuel Ansede en este artículo publicado en El País, un joven becario de Mojica, junto a la curiosidad y persistencia del científico, tuvieron la culpa de que aquellas secuencias genómicas de las arqueas empezaran a tomar la forma de lo que años después sería una de las mayores revoluciones biomédicas de los tiempos modernos.

La semilla de algo muy grande

Mojica y su ayudante estaban ‘leyendo’ las ‘letras’ del alfabeto genético de las arqueas, cuando el investigador se dio cuenta de que algunas de las secuencias que investigaban parecían repetirse. Mojica se empeñó en seguir estudiando estas repeticiones, apoyado en equipos de bioinformáticos, sin saber dónde le iban a llevar. A los pocos años les puso, junto a algunos colaboradores, un nombre (Short Regularly Spaced Repeats, SRSR) que al poco tiempo evolucionó hacia el que actualmente conocemos (Clustered Regularly Interspaced Short Palyndromic Repeats, CRISPR). Desde los primeros años de este siglo, cuando Mojica acuñó el acrónimo CRISPR para estas secuencias genómicas repetidas, el término se ha ido popularizando y su presencia no ha dejado de ganar relevancia en el mundo científico.

Trabajando en las salinas de Santa Pola, Mojica había descubierto que esos fragmentos de ADN que se repetían funcionaban como un sistema de inmunidad adquirida que protegía a las arqueas frente a posibles infecciones víricas. Ansede lo contaba así en 2017, tras hablar con el propio Mojica: “En agosto de 2003 tuvo su momento ‘eureka’. Se encontraba de vacaciones en casa de su suegro en Santa Pola, pero se escapó a la universidad para tener aire acondicionado. En su despacho investigó qué podían ser los tramos de ADN que aparecían entre las secuencias repetidas. Una base de datos internacional le dio la respuesta. Y se quedó helado. Eran fragmentos de ADN de virus insertados en el ADN del microbio: recuerdos de contactos previos con patógenos. Se trataba de una especie de cartilla de vacunación genética que algunas especies de bacterias y arqueas heredaban de sus madres. Aquello era un descubrimiento monumental”.

Corrían los primeros años del siglo XXI y nadie más en el mundo tenía tanto interés como Mojica en seguir estudiando en torno a CRISPR. En 2005, su grupo de la Universidad de Alicante consiguió publicar un artículo que desveló que CRISPR podía representar una especie de sistema inmunitario propio de los organismos procariotas, y sugirió que las proteínas asociadas a esas secuencias repetidas en el genoma podían facilitar mecanismos de inmunidad adaptativa en las bacterias. Poco a poco, tras una década en la que muy poca gente en el mundo se interesaba por CRISPR, muchos grupos internacionales comenzaron a mirar con lupa las posibilidades de este posible mecanismo inmunitario. ¿Cómo funcionaba esa suerte de sistema defensivo heredado que parecían compartir las bacterias?

Comienza el boom de CRISPR

Diferentes equipos de científicos comenzaron a explorar la posibilidad de alterar el genoma, editando el ADN y modificando las funciones celulares. En 2007, el equipo de Rodolphe Barrangou publicó la demostración experimental de que CRISPR era un sistema de inmunidad adquirida.  Poco después, Marraffini y Sontheimer publicaron en 2008 en Science un artículo clave, que demostraba que CRISPR era capaz de tener como diana no sólo los virus, como había sugerido un artículo previo de Mojica de 2005, sino también los plásmidos, las moléculas circulares de ADN que contienen las bacterias. Con este hallazgo se desveló que el sistema CRISPR tenía como diana directamente el ADN directamente, con la capacidad de cortarlo. Este descubrimiento dio pie a numerosas investigaciones posteriores, incluida la propuesta de Jennifer Doudna y Emmanuel Charpentier, que en 2012 serían capaces de convertir este sistema de defensa en una herramienta para la edición genética.

Es a partir de 2010 cuando entran en juego los nombres más conocidos en la actualidad. Diferentes equipos científicos estaban ya confirmando que para lograr una buena edición del genoma era necesario encontrar métodos fiables para ‘romper’ el ADN en lugares específicos y luego tratar de ‘recolocarlo’. Surgieron diferentes aproximaciones, como las nucleasas de dedo de zinc (ZFN) o unas proteínas activadoras de transcripción (TALEN).

Entre 2011 y 2012, los grupos de Feng Zhang, científico del Instituto Broad en el Instituto Tecnológico de Massachssetts (MIT); de George Church, en la Universidad de Harvard, y de Jennifer Doudna y Emmanuel Charpentier, en las Universidades de California y Umea (Suecia), trabajaron de forma paralela en una posible solución aún mejor: la proteína Cas9, asociada a las repeticiones CRISPR, mejoraba el objetivo de disponer de unas tijeras moleculares capaces de activar, reprimir o editar genes con precisión en animales y, quizá, en personas. Otro grupo, el de Virginijus Siksnys, también aportó hallazgos claves para consolidar una hipótesis extraordinaria: ¿Podía la edición genética abrir nuevas vías de estudio en biología, siempre y cuando este mecanismo fuera aplicable a células más complejas, como las de los mamíferos y, en última instancia, las humanas? En otras palabras, ¿podría modificarse CRISPR para convertirlo en un sistema efectivo de edición del genoma humano?

Grandes esperanzas y muchos frentes abiertos

Hace ahora algo más de una década, entre 2012 y 2013, se publicaron cuatro artículos fundamentales. En 2012, el grupo de Doudna y Charpentier, en Science, y el de Siksnys, en PNAS, proponen usar CRISPR como herramienta de edición genética. Y en enero de 2013, de nuevo en Science, los equipos de Zhang y de Church publican, de manera independiente, la demostración de que las herramientas CRISPR basadas en Cas9 funcionan efectivamente para editar genes. Es en ese momento cuando toda la comunidad científica comprende que CRISPR puede realmente funcionar: el corta-pega genético comenzaba a estar en boca de todos.

En la última década CRISPR se ha convertido en uno de los temas preferidos de la comunicación científica, convirtiéndose poco menos que en un fenómeno mediático gracias, en parte, a que comenzaba a sonar fuerte para las quinielas de los premios Nobel. Como explica el genetista experto en CRISPR Lluís Montoliu, que desarrolla su trabajo en el Centro Nacional de Biotecnología (CNB) del CSIC, en este artículo publicado en el Science Media Center, “hace ahora diez años aparecieron una retahíla de publicaciones confirmando que las CRISPR eran capaces de promover la edición de genes en todos los seres vivos donde se probaron: plantas, animales, hongos, otras bacterias, etc… Pero también fue el año en el que descubrimos que las herramientas CRISPR no estaban exentas de problemas”.

Antes de que se cumpliera 2015, la edición genética con CRISPR había permitido modificar organismos como peces cebra moscas de la fruta, ratones y hasta simios. Al frente científico se sumaban otros tres: el ético, debido a posibles usos polémicos de esta tecnología; el empresarial, ya que los mercados pusieron el foco en esta prometedora herramienta; y el legal, ya que se abrió una batalla por las patentes asociadas a CRISPR que aún colea en la actualidad. De forma paralela, la comunidad científica acogía los avances de CRISPR con los brazos abiertos: además de los pioneros, miles de laboratorios en todo el mundo exploraban la edición genética como método para avanzar en sus líneas de trabajo.

Democratización de la edición genética: Premio Nobel y un saber universalizado

En los últimos años CRISPR se ha universalizado. Más allá de la propia comunidad científica, quienes desarrollan trabajos relacionados con la biomedicina, o quienes simplemente están interesados en la divulgación científica en salud, consideran CRISPR como una de las grandes revoluciones científicas en lo que va de siglo. Este artículo publicado en 2016 por Eric Lander en la revista Cell sigue considerándose uno de los mejores repasos, y un gran homenaje, a todas las personas que hicieron de CRISPR una realidad histórica. Por supuesto, CRISPR ya tiene un Premio Nobel a sus espaldas: Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna fueron galardonadas en 2020, en la modalidad de Química, como dos de las pioneras en el desarrollo de la herramienta CRISPR/Cas9 editar el genoma.

Francis Mojica, el principio de todo, ha tenido que conformarse con estar durante años en las quinielas del Nobel, algo que nunca le había quitado el sueño: “Ha pasado de cerca, pero la posibilidad era remota. Me alegra mucho [El Nobel a Doudna y Charpentier], se lo han dado al niño que teníamos aquí y al que nadie hacía caso, y es un orgullo ver que el hijo que uno tiene ha triunfado en la vida”, dijo el científico español tras conocerse el Galardón.

Las aplicaciones teóricas de CRISPR parecen no tener fin. La Medicina es uno de los ámbitos científicos que más pueden beneficiarse de esta técnica de edición genética, pero hay muchas otras disciplinas que confían en ella como palanca para alcanzar nuevas metas, como la agricultura, las energías renovables, la botánica y la alimentación. En el ámbito biomédico, en la última década CRISPR se está investigando para múltiples objetivos: generación de modelos animales para investigación, desarrollo de terapias para enfermedades monogénicas, estudios sobre eliminación de infecciones virales y bacterianas, métodos diagnósticos, xenotrasplantes -sustitución de órganos humanos por órganos animales-, desarrollo de posibles vacunas...

Como dice la cultura popular, un gran poder conlleva una gran responsabilidad. El debate bioético se ha ido abriendo paso según crecían las posibilidades de CRISPR, y no han faltado casos de usos perversos. Una de sus posibles aplicaciones de CRISPR, quizá la más polémica, es la modificación de líneas germinales humanas, que genera un profundo debate sobre ética e integridad científica que se disparó a raíz de la posible creación de ‘bebés a la carta’ a través de una modificación del genoma que pueda tener, o no, fines médicos. La historia del científico He Jiankui, creador de los primeros bebés modificados genéticamente con la herramienta CRISPR, forma ya parte -tristemente- de la historia reciente de la investigación biomédica.

Voces expertas. Presente y futuro, retos pendientes

Con la revolución ya en marcha, España cuenta con muchos grupos de referencia en la investigación de estas herramientas, y muchas de estas voces expertas son femeninas. Gemma Marfany, catedrática de Genética en la Universidad de Barcelona, compara las posibilidades de CRISPR “con las de un bisturí muy preciso, como si tuviera un GPS incorporado”. Tras años trabajando con esta tecnología, considera que “ha democratizado” la edición genética de precisión, superando otras técnicas de modificación genética “que eran imprecisas y que exigían muchos intentos y bastante coste”.

A su juicio, tener una herramienta “tan eficaz, fácil de utilizar y de coste reducido” ha permitido que casi todos los laboratorios, incluso los más pequeños, “tengan a su alcance una herramienta que permite abordar cuestiones que hasta ahora nunca hubiéramos podido estudiar”. Más allá de sus múltiples aplicaciones, algunas de las cuales ya se están observando en biomedicina, “CRISPR supone una revolución en ciencia básica por todas las ideas nuevas que surgen cuando una técnica tan potente te permite explorarlas”.

Marfany, que publicó hace unos años el artículo Interrogantes y retos actuales de la edición genética en la Revista de Bioética y Derecho, asume “la dificultad de predecir a largo plazo el futuro de una revolución como CRISPR, que plantea tantas posibilidades como retos. La catedrática de la Universidad de Barcelona cree que, a corto-medio plazo, contaremos con novedades ligadas a CRISPR “como probióticos con bacterias editadas genéticamente para proporcionarnos alimentos complementarios, fármacos de precisión adaptados a las características y necesidades de cada persona, y nuevas variedades de plantas y cultivos que resistentes a condiciones climáticas extremas como las sequías”. Aunque los campos de aplicación son muy diversos, la Medicina aparece como punta de lanza: “La terapia celular, combinada con la edición genética, permitirá desarrollar tratamientos terapéuticos innovadores y muy efectivos para muchas enfermedades que no tienen tratamiento actualmente, como algunos tipos de cáncer o patologías ligadas a la degeneración de órganos y tejidos”.

Pilar Cubas, investigadora en el Centro Nacional de Biotecnología (CNB) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), trabaja en el ámbito de la genética aplicada a plantas, y ha desarrollado investigaciones basadas en la aplicación de la edición genética a la creación de nuevas variedades vegetales. Según explica, “CRISPR ha proporcionado a la agricultura una herramienta revolucionaria, rápida, económica y precisa”.

Cubas está convencida de que en los próximos años “CRISPR y la edición génica van a seguir revolucionando la agricultura”. Según explica, gracias a su capacidad para desencadenar cambios genéticos específicos, “permitirá el desarrollo de cultivos aún más adaptados a los retos del cambio climático y las necesidades de nuestras sociedades, y ofrecerá la oportunidad de recuperar la diversidad genética de variedades de consumo, lo que puede conducir al desarrollo de alimentos más nutritivos y resistentes”. También facilitará avances en la domesticación de especies vegetales silvestres de interés y/o productoras de compuestos de interés nutricional.

En todo caso, el futuro de CRISPR está ligado a la necesidad de crear o adaptar regulaciones ya existentes. En biotecnología vegetal o agraria, como explica en este artículo de The Conversation Lluís Montoliu, el Parlamento Europeo está debatiendo posibles normas que, según apunta Cubas, “podrían aligerar las cargas burocráticas del desarrollo y cultivo de variedades de plantas y semillas editadas, lo que influirá en la rapidez con la que se implanten nuevas técnicas como CRISPR que pueden beneficiar a los agricultores, empresas”.

La investigadora del CNB-CSIC explica que estas plantas editadas “no contienen ADN extraño, son indistinguibles de las obtenidas mediante métodos de mejoramiento tradicionales y, gracias a la edición génica, los cambios genéticos que se introducen son muy específicos, dirigidos y fácilmente comprobables, preservando la diversidad genética y permitiendo la mejora de múltiples rasgos en la misma variedad vegetal en pocas generaciones”. Así, CRISPR optimiza técnicas de mejora clásica que utilizaban la mutagénesis y los cruzamientos con otras especies, que pueden causar cambios genéticos incontrolables o no deseados. Cubas no duda de que las técnicas de edición génica como CRISPR, conocidas en inglés como New Genomic Techniques (NGTs), “representan el futuro de la agricultura y prometen una producción agronómica más eficiente y sostenible”.

En la publicación antes citada de Gemma Marfany, la investigadora se plantea en qué situaciones podemos plantearnos la modificación genética, mediante técnicas basadas en CRISPR, para cambiar de forma dirigida la secuencia de ADN de las personas. Las consideraciones bioéticas de la edición génica en humanos son una de las aristas más destacadas de estas tecnologías. La científica de la Universidad de Barcelona considera fundamental sentar ciertas bases para el debate: “¿Cuál es el objetivo? No es lo mismo la edición génica para tratamiento de enfermedades que para la mejora genética del ser humano. ¿Cuáles son las células diana? No tiene las mismas consecuencias la edición génica en células somáticas que en células germinales. ¿Cómo se controlan los efectos no previsibles de la edición? No es lo mismo realizar la edición génica ex vivo que in vivo”.

Otra de las investigadoras más destacadas sobre CRISPR en España es Paula Río, que desarrolla su trabajo en el Departamento de Innovación Biomédica del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT). Según confirma, “el sistema CRISPR nos ha permitido desarrollar estudios que hace veinte años eran imposibles, con los que podemos desarrollar, por ejemplo, modelos que recapitulan exactamente las mutaciones que tienen los pacientes, lo que nos permite una caracterización más precisa de la enfermedad en los pacientes y el desarrollo de tratamientos específicos”.

Una de las principales líneas de investigación del grupo de Paula Río se dirige a la Anemia de Fanconi, una enfermedad rara que afecta a la producción de células sanguíneas y que aumenta la predisposición a otras patologías como algunos tipos de cáncer. Su experiencia avala las expectativas puestas en las opciones terapéuticas que puede permitir CRISPR, “realmente prometedoras y cuya eficacia ya estamos empezando a ver en diversos ensayos clínicos”. De cara al futuro, la científica del CIEMAT tiene esperanzas en que “los resultados preliminares de estos ensayos clínicos que trabajan con el sistema CRISPR se confirmen, y podamos tener terapias eficaces y seguras para el tratamiento de muchas las enfermedades genéticas”. Según añade, en combinación con otros tratamientos, las terapias basadas en CRISPR pueden convertirse “en una herramienta clave en la lucha contra el cáncer”.

Un libro abierto al que aún le faltan la mayoría de capítulos

El camino está abierto y no será corto. La ciencia genera expectativas y da esperanzas, pero debe sustentarlas con evidencias y, además, lidiar con cuestiones que no sólo atañen al propio método científico. En los próximos años será necesario, además de seguir descubriendo las posibilidades científicas de CRISPR, avanzar en otras cuestiones claves. Entre ellas, por poner dos ejemplos, si es posible lograr un acceso universal y con equidad a posibles terapias génicas basadas en  CRISPR, y si es aceptable o deseable el uso de la edición génica ya no para tratar enfermedades, sino sólo para una mejora genética no terapéutica.

La modificación genética de seres humanos, con ejemplos ya vividos como la posible modificación de bebés, le planteaba a Marfany hace sólo cuatro años una cuestión aún válida y muy de actualidad: “En animales y plantas el ser humano se permite generaciones de individuos hasta encontrar y seleccionar aquellos que presentan las características que desea mantener, pero no parece aceptable ejercer este tipo de control sobre la descendencia hasta obtener la persona deseada”.

En definitiva, CRISPR va a seguir dando mucho de qué hablar. Qué mejor para cerrar este reportaje sobre los 30 años del artículo de Francis Mojica, que abrió la puerta a lo que ahora es la edición genética, que unas palabras de Lluís Montoliu, una de las personas que más ha hecho por la divulgación de la edición génica en esta última década de explosión de CRISPR: “Es asombroso lo que hemos avanzado en diez años, sin olvidar otros veinte anteriores donde se asentaron los conocimientos básicos de los sistemas CRISPR en bacterias. Hay que recordar que nosotros nos hemos beneficiado del trabajo de optimización de estos sistemas CRISPR realizado por las bacterias durante miles de millones de años. No debería pues sorprendernos lo bien que nos funcionan estas CRISPR cuando las sacamos fuera de su contexto natural. Y por ello estoy convencido de que todavía guardan ases en la manga con los que maravillarnos”.