Bioingenieros han reutilizado un sistema CRISPR “no funcional” para crear una versión más pequeña de la herramienta de ingeniería genómica.
La nueva tecnología podría facilitar su administración en células humanas para la terapia génica.
La analogía habitual para CRISPR es que es como un conjunto de tijeras moleculares.
Bioingenieros han reutilizado un sistema CRISPR “no funcional” para crear una versión más pequeña de la herramienta de ingeniería genómica.
Su diminuto tamaño debería facilitar su administración en células, tejidos y el cuerpo humanos para la terapia génica.
La analogía habitual para la edición génica con CRISPR es que funciona como unas tijeras moleculares que cortan secciones seleccionadas de ADN. A Stanley Qi le gusta esa analogía, pero considera que es hora de reimaginar CRISPR como una navaja suiza.
“CRISPR puede ser tan sencillo como un cortador, o más avanzado como un regulador, un editor, un etiquetador o un generador de imágenes. Este emocionante campo está dando lugar a muchas aplicaciones”, afirma Qi, profesor adjunto de bioingeniería en la Universidad de Stanford y de biología química y de sistemas en la Facultad de Medicina de Stanford.
Los diversos sistemas CRISPR en uso o en fase de ensayo clínico para la terapia génica de enfermedades del ojo, el hígado y el cerebro siguen siendo, sin embargo, limitados en su alcance, porque todos adolecen del mismo defecto: son demasiado grandes y, por tanto, demasiado difíciles de administrar en células, tejidos u organismos vivos.
En un artículo publicado en Molecular Cell, Qi y sus colaboradores describen lo que consideran un avance importante para CRISPR: un sistema CRISPR mini eficiente y multifuncional. Mientras que los sistemas CRISPR de uso habitual, con nombres como Cas9 y Cas12a que designan distintas versiones de las proteínas asociadas a CRISPR (Cas), están formados por unos 1.000 a 1.500 aminoácidos, su «CasMINI» tiene 529.
Los investigadores confirmaron en experimentos que CasMINI podía eliminar, activar y editar código genético exactamente igual que sus homólogos de mayor tamaño. Su menor tamaño significa que debería ser más fácil administrarlo en células y en el cuerpo humanos, lo que lo convierte en una herramienta potencial para tratar diversas dolencias, como las enfermedades oculares, la degeneración de órganos y las enfermedades genéticas en general.
Para que el sistema fuera lo más pequeño posible, los investigadores decidieron partir de la proteína CRISPR Cas12f (también conocida como Cas14), porque contiene solo unos 400 a 700 aminoácidos. Sin embargo, al igual que otras proteínas CRISPR, Cas12f procede de forma natural de arqueas—organismos unicelulares—, lo que significa que no es adecuada para células de mamíferos, y mucho menos para células o cuerpos humanos. Solo se sabe que unas pocas proteínas CRISPR funcionan en células de mamíferos sin modificación. Por desgracia, CAS12f no es una de ellas. Esto la convierte en un reto estimulante para bioingenieros como Qi.
«Pensamos: “Vale, millones de años de evolución no han conseguido que este sistema CRISPR funcione en el cuerpo humano. ¿Podemos cambiarlo en solo uno o dos años?”», afirma Qi. «Que yo sepa, por primera vez hemos convertido un CRISPR no funcional en uno funcional.»
De hecho, Xiaoshu Xu, becaria posdoctoral en el laboratorio de Qi y autora principal del artículo, no observó actividad alguna de la Cas12f natural en células humanas. Xu y Qi plantearon la hipótesis de que el problema era que el ADN del genoma humano es más complejo y menos accesible que el ADN microbiano, lo que dificulta que Cas12f encuentre su objetivo en las células.
Al analizar la estructura predicha computacionalmente del sistema Cas12f, eligió con cuidado unas 40 mutaciones en la proteína que podían sortear esta limitación y estableció un procedimiento para probar muchas variantes de proteínas a la vez. En teoría, una variante funcional convertiría una célula humana en verde al activar la proteína verde fluorescente (GFP) en su genoma.
«Durante el primer año, este sistema no funcionó en absoluto», afirma Xu. «Pero tras sucesivas iteraciones de bioingeniería, algunas proteínas modificadas empezaron a activarse, como por arte de magia. Nos hizo apreciar de verdad el poder de la biología sintética y la bioingeniería.»
Los primeros resultados exitosos fueron modestos, pero entusiasmaron a Xu y la animaron a seguir adelante, porque significaban que el sistema funcionaba. Tras muchas iteraciones adicionales, logró mejorar aún más el rendimiento de la proteína. «Al principio solo veíamos dos células con señal verde y, tras la ingeniería, casi todas las células se ven verdes al microscopio», afirma Xu.
«En un momento dado tuve que detenerla», recuerda Qi. «Le dije: “Por ahora es suficiente. Has creado un sistema bastante bueno. Deberíamos pensar en cómo se puede usar esta molécula en aplicaciones.”»
Además de la ingeniería de proteínas, los investigadores también diseñaron el ARN que guía la proteína Cas hasta su ADN objetivo. Las modificaciones en ambos componentes fueron cruciales para que el sistema CasMINI funcionara en células humanas. Probaron la capacidad de CasMINI para eliminar y editar genes en células humanas de laboratorio, incluidos genes relacionados con la infección por VIH, la respuesta inmunitaria antitumoral y la anemia. Funcionó con casi todos los genes que probaron, con respuestas sólidas en varios de ellos.
Los investigadores ya han empezado a establecer colaboraciones con otros científicos para desarrollar terapias génicas. También les interesa cómo podrían contribuir a los avances en tecnologías de ARN, como las empleadas para desarrollar las vacunas de ARNm contra la COVID-19—en las que el tamaño también puede ser un factor limitante.
«Esta capacidad de diseñar estos sistemas es algo que el campo desea desde los primeros días de CRISPR, y siento que hemos hecho nuestra parte para avanzar hacia esa realidad», afirma Qi. «Y este enfoque de ingeniería puede resultar muy útil en muchos ámbitos. Eso es lo que me entusiasma: abrir la puerta a nuevas posibilidades.»
La Fundación Li Ka Shing financió el trabajo.
Fuente: Universidad de Stanford
