El editor de genes, CRISPR-Cas9,  es uno de esos descubrimientos con un potencial impresionante. Cuando Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna comenzaron a investigar el sistema inmunológico de una bacteria Streptococcus, pensaban que tal vez podrían desarrollar una nuevo antibiótico. En cambio descubrieron una herramienta molecular que puede usarse para hacer cortes muy precisos en el material genético, posibilitando cambios en el código de la vida.

Un colega, microbiólogo, le comenta a Doudna su descubrimiento: cuando se comparan el material genético de diferentes bacterias, y también de las arqueas (un tipo de microorganismo), se encuentran secuencias de ADN repetitivas que están sorprendentemente bien conservadas. El mismo código aparece una y otra vez, pero entre las repeticiones hay secuencias que llaman la atención (ver figura 1). Es como si, en un libro, una misma palabra se repitiera entre las oraciones.

Estas matrices de secuencias repetidas se denominan repeticiones palindrómicas cortas, agrupadas y regularmente espaciadas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats), abreviadas como CRISPR. Lo interesante es que las secuencias únicas y no repetitivas en CRISPR (situadas tras las repeticiones) parecen coincidir con el código genético de varios virus, por lo que el pensamiento actual es que son  parte de un antiguo sistema inmunológico que protege a las bacterias y arqueas de los virus. La hipótesis es que si una bacteria ha logrado sobrevivir a una infección por virus, agrega una parte del código genético del virus a su genoma como un recuerdo de la infección.

También se han descubierto genes especiales, asociados a CRISPR, que se han denominado con la abreviatura Cas. Doudna se dio cuenta de que estos genes son muy similares a los genes que codifican las proteínas que desenrollan y cortan el ADN. Entonces, ¿las proteínas Cas tienen la misma función? ¿Cortan el ADN del virus?

Su grupo de investigación comienza a trabajar en este problema y, después de unos años, logran revelar la función de varias proteínas Cas diferentes.

Paralelamente Emmanuelle Charpentier investigaba las pequeñas moléculas de ARN que regulan los genes y, en colaboración con investigadores de Berlín, había mapeado los pequeños ARN que se encuentran en S. pyogenes.

Charpentier muestra que la molécula de ARN, que denomina ARN crispr trans-activador (ARN tracr), también tiene una función decisiva, es necesario para que el ARN que se crea a partir de la secuencia CRISPR en el genoma evolucione hacia  su forma activa (ver figura 1 ).

Figura 1

En la primavera de 2011, después de conocerse en un congreso en Puerto Rico, Carpentier y Doudna comienzan a colaborar. La sospecha es que  el CRISPR-ARN es necesario para identificar el ADN de un virus y que Cas9 es la tijera que corta la molécula de ADN.

Después de muchas discusiones y  numerosos experimentos fallidos añaden ARN tracr a sus pruebas. Se  creía que el ARN tracr solo era necesario cuando CRISPR-ARN se escindía en su forma activa (figura 2), pero una vez que Cas9 tuvo acceso a ARN tracr, sucedió lo que todos esperaban: la molécula de ADN se dividió en dos partes.

La historia de las tijeras genéticas podría haberse detenido aquí; Charpentier y Doudna habían descubierto, en una bacteria que causa un gran sufrimiento a la humanidad, un mecanismo fundamental. Ese descubrimiento fue asombroso en sí mismo, pero el azar favorece a las mentes preparadas.

Los investigadores deciden intentar simplificar las tijeras genéticas. Usando lo que conocen  sobre ARN tracr y CRISPR-ARN, descubrieron cómo fusionar los dos 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 previamente seleccionado.

Saben que están cerca de un gran avance. Toman un gen en el laboratorio de Doudna y seleccionan cinco lugares diferentes donde el gen debe dividirse. Luego cambian la parte CRISPR de las tijeras para que su código coincida con el código donde se realizarán los cortes (figura 2). El resultado fue extraordinario. Las moléculas de ADN se escindieron exactamente en los lugares seleccionados.

Figura 2

Poco después de que Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna publicaran su descubrimiento de las tijeras genéticas CRISPR-Cas9 en 2012, varios grupos de investigación demuestran que esta herramienta se puede utilizar para modificar el genoma de las células, tanto de ratones como de humanos, lo que lleva a un desarrollo explosivo. Hasta la fecha cambiar los genes de una célula, planta u organismo requería mucho tiempo y, a veces, era imposible. Usando las tijeras genéticas los investigadores pueden, en principio, hacer los cortes que deseen en el genoma. Después de esto es fácil utilizar los sistemas naturales de la célula para la reparación del ADN de manera que reescriban el código de la vida (figura 2).

Debido a que esta herramienta genética es tan fácil de usar, actualmente está muy extendida en la investigación básica. Se utiliza para cambiar el ADN de células y 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 mejoramiento de los cultivos. Los métodos utilizados anteriormente por los investigadores para modificar los genomas de las plantas a menudo requerían la adición de genes que podían producir resistencia a los antibióticos. Cuando se realizan los cultivos existe el riesgo de que esta resistencia a los antibióticos se extienda a los microorganismos circundantes. Gracias a las tijeras genéticas los investigadores ya no necesitan utilizar estos métodos, ya que ahora pueden realizar cambios muy precisos en el genoma. Entre otras cosas han editado los genes que hacen que el arroz absorba metales pesados del suelo, lo que lleva a variedades mejoradas de arroz con niveles más bajos de cadmio y arsénico. Los investigadores también han desarrollado cultivos que resisten mejor la sequía en un clima más cálido y que resisten insectos y plagas que de otro modo tendrían que ser combatidos con pesticidas.

En medicina las tijeras genéticas están contribuyendo a desarrollar inmunoterapias nuevas para el cáncer y se están realizando ensayos para hacer realidad un sueño: curar enfermedades hereditarias.

A pesar de los beneficios que comportan, las tijeras genéticas también pueden ser mal utilizadas. Se pueden usar, por ejemplo, para crear embriones modificados genéticamente. Sin embargo, durante muchos años, ha habido leyes y regulaciones que controlan la aplicación de la ingeniería genética, que incluyen prohibiciones de modificar el genoma humano de una manera que permita heredar los cambios. Además, los experimentos que involucran a humanos y animales siempre deben ser revisados y aprobados por comités de ética antes de que se lleven a cabo.

Una cosa es cierta: esta tecnología nos afectan a todos. Enfrentaremos nuevos problemas éticos, pero esta nueva herramienta bien puede contribuir a resolver muchos de los desafíos que ahora enfrenta la humanidad. A través de su descubrimiento, Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna desarrollaron una herramienta  que ha llevado las ciencias de la vida a una nueva época. Nos han hecho contemplar un vasto horizonte de potencial inimaginable y, en el camino, mientras exploramos este nuevo territorio, tenemos la garantía de realizar descubrimientos nuevos e inesperados.