EDICIÓN DE GENES MEDIANTE CRISPR, UNO DE LOS DESCUBRIMIENTOS EN INVESTIGACIÓN GENÉTICA MÁS IMPORTANTES DESDE LA PCR

En 1987 un artículo describía cómo algunas bacterias (Streptococcus pyogenes) se defendían de las infecciones víricas. Estas bacterias tienen unas enzimas que son capaces de distinguir entre el material genético de la bacteria y el del virus y, una vez hecha la distinción, destruyen al material genético del virus. Sin embargo, las bases de este mecanismo no se conocieron hasta más adelante, cuando se mapearon los genomas de algunas bacterias y otros microorganismos. Se encontró que una zona determinada del genoma de muchos microorganismos, sobre todo arqueas, estaba llena de repeticiones palindrómicas (que se leen igual al derecho y al revés) sin ninguna función aparente. Estas repeticiones estaban separadas entre sí mediante unas secuencias denominadas “espaciadores” que se parecían a otras de virus y plásmidos. Justo delante de esas repeticiones y “espaciadores” hay una secuencia llamada “líder”. Estas secuencias son las que se llamaron CRISPR (“Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente interespaciadas”). 

CRISPR está causando una gran conmoción en la investigación biomédica. A diferencia de otros métodos de edición de gen, es barato, rápido y fácil de usar, por lo que se ha extendido en los laboratorios de todo el mundo. "He visto dos enormes avances desde que he estado en la ciencia: CRISPR y PCR," dice John Schimenti, genetista de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York. El CRISPR es el descubrimiento más revolucionario desde los años 80, cuando el bioquímico estadounidense Kary Banks Mullis desarrolló la técnica de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que amplifica de forma importante cualquier forma de ADN y que transformó los laboratorios de biología y de genética de todo el mundo. El investigador científico del Centro Nacional de Biotecnología del CSIC, Lluis Montoliu, aseguraba hoy a EFE que la técnica CRISPR para la edición genética es una "revolución irreversible que viene para quedarse".

La tecnología CRISPR es una herramienta molecular utilizada para “editar” o “corregir” el genoma de cualquier célula. De manera similar a una "tijera genética" son capaces de cortar cualquier molécula de ADN de forma muy precisa y totalmente controlada, lo que permite modificar su secuencia, eliminando o insertando un nuevo ADN. Es decir, esta herramienta puede ser utilizada para regular la expresión génica, etiquetar sitios específicos del genoma en células vivas, identificar y modificar funciones de genes y corregir genes defectuosos. También se está ya utilizando para crear modelos de animales para estudiar enfermedades complejas o para curar enfermedades cuya causa genética se conozca y que hasta ahora eran incurables mediante terapia génica. 

Un poco más de historia.

En el año 1993 el científico español Francisco J. M. Mojica de la Universidad de Alicante publica el resultado de sus investigaciones con las bacterias arqueas halófilas (capaces de vivir en medios con unas concentraciones de sales extremadamente elevadas). Mediante la secuenciación de parte del genoma de la arquea identifica unas secuencias palindrómicas de 30 pares de bases separadas entre sí por fragmentos de 36 pares de bases, los denominados espaciadores. Mojica y sus colaboradores detectan, buceando en bases de datos, un gran número de estas secuencias repetidas en bacterias, arqueas y mitocondrias y proponen el nombre de Short Regularly Spaced Repeats (SRSR) (Repeticiones Cortas Regularmente Espaciadas). Posteriormente se decidió cambiar el nombre por Clustered Regularly Interspaced Short Palyndromic Repeats (CRISPR) (Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas)

En el año 2002 en una publicación de microbiólogos holandeses se describen por vez primera un conjunto de genes asociados a las secuencias repetidas CRISPR (los genes cas o asociados a CRISPR). En el 2005, tres grupos de investigación independientes muestran que algunos de los espaciadores de los CRISPRs se derivan de diversas fuentes de ADN como ADN de virus bacteriofagos y ADN extracromosomal como los plásmidos. El grupo de investigación de Francisco J. Mojica intuye que las secuencias CRISPR y los espaciadores asociados, pueden formar parte de algún sistema inmune propio de estos microorganismos procarióticos. Por otro lado Alexander Bolotin, del Instituto Francés de Investigación Agronómica descubre en la bacteria Streptococcus thermophilus que carecen de algunos de los genes cas conocidos y en su lugar contiene nuevos genes cas, incluyendo uno que codifica una proteína que predice que tienen actividad de nucleasa, lo cual ahora se denomina como Cas9.

El científico Eugene Koonin del Centro Nacional de Información sobre Biotecnología de Estados Unidos estudia en el 2006 grupos de proteínas por análisis computacional y propone un esquema para cascadas de CRISPR que funcionan como sistema inmune bacteriano, basado en inserciones homólogas al ADN del virus. En el año 2007, el investigador Philippe Horvath (perteneciente a la industria alimenticia en la empresa Danisco) y el grupo de Moineau en la Université Laval de Canadá muestran que es posible alterar la resistencia de Streptococcus thermophilus a ataques de fagos gracias al ADN espaciador. En 2008 el científico John van der Oost, de la Universidad de Wageningen en los Países Bajos, demuestra que en la bacteria coli E-Scherichia , las secuencias espaciadoras, que se derivan de fago, se transcriben en ARN, denominado ARN CRISPR (crRNAs), que guía a las proteínas Cas hacia el ADN objetivo. Por otro lado Luciano Marraffini y Erik Sontheimer,  de la Northwestern University en Illinois demuestran que las moléculas objetivo son el ADN en lugar del ARN como se pensaba hasta entonces y señalan que este sistema puede convertirse en una poderosa herramienta que transferir a sistemas no bacterianos.

En 2009 el investigador Sylvain Moineau, de la Universidad de Laval en Quebec demuestra que CRISPR-Cas9 crea roturas de doble cadena de ADN diana en posiciones precisas y también confirma que Cas9 es la única proteína necesaria para la escisión en el sistema de CRISPR-Cas9. La investigadora Emmanuelle Charpentier de la Universidad de Umee realiza en 2011 una pequeña secuenciación de ARN en Streptococcus pyogenes que contiene un sistema de CRISPR-Cas9 y descubre que además de la crRNA, existe un segundo ARN que llama trans-activación de CRISPR ARN (tracrRNA). Además demuestra que tracrRNA actúa conjuntamente con el crRNA para guiar a Cas9 hacia sus objetivos.

Aunque sin duda estas investigaciones fueron importantes para el desarrollo de la técnica, no fue hasta el año 2012 en el que se dio el paso clave para convertir este descubrimiento en una herramienta molecular útil en el laboratorio. En agosto de este año un equipo de investigadores dirigido por las doctoras Emmanuelle Charpentier en la Universidad de Umeå y Jennifer Doudna, en la Universidad de California en Berkeley, publicó un artículo en la revista Science el que se demostraba cómo convertir esa maquinaria natural en una herramienta de edición “programable”, que servía para cortar cualquier cadena de ADN in vitro. Es decir, lograban programar el sistema para que se dirigiera a una posición específica de un ADN cualquiera (no solo vírico) y lo cortaran.

¿Y ahora qué hacemos con CRISPR?

Poco después del famoso artículo de Doudna y Charpentier, en enero de 2013 los laboratorios de George Church en Harvard y Feng Zhang en el Broad Institute del MIT fueron los primeros en publicar artículos demostrando que CRISPR/Cas9 servía para células humanas. Doudna publicó lo propio de manera independiente apenas unas semanas más tarde.

Al MIT (Instituto Tecnológico de Massachussets) anunció ya en marzo de 2014 que había conseguido curar a un ratón adulto de una enfermedad hepática (tirosinemia de tipo I) de origen genético utilizando esta tecnología y en apenas tres años la técnica ya se ha trasladado a la clínica. El pasado año se trató en China a un paciente desahuciado de cáncer al cual se le extrajeron células de su sangre, con las herramientas CRISPR se desactivó un gen con la esperanza de que pudiera reaccionar mejor al cáncer y se lo volvieron a introducir, aunque todavía no se conoce el resultado.

Científicos de la Universidad de California en Irvine presentaron en noviembre de 2016 mosquitos modificados genéticamente para que no puedan transmitir la malaria. El objetivo es poder liberar este tipo de mosquitos modificados genéticamente en regiones donde la malaria es endémica, para que se puedan aparear con mosquitos silvestres y transmitir el gen de resistencia a la infección a las generaciones siguientes, con lo que se puede llegar a conseguir que los casos de malaria se reduzcan enormemente.

Investigadores de la Escuela de Medicina de  la Universidad de Harvard han logrado eliminar genes dañinos de cerdos con el objetivo de trasplantar los órganos de los animales a personas. Para ello es necesario eliminar las marcas genéticas del animal que causarían rechazo en los receptores humanos. Uno de los logros conseguidos es limpiar el genoma del animal de enterovirus porcino, presente en todas sus células y que, aunque inocuo para el animal, infectaría las células humanas en el momento en que se trasplantase material genético del cerdo a una persona.

Ingenieros del MIT trabajan en un método convertir a las superbacterias o bacterias resistentes a los antibióticos en armas contra sí mismas. La mayoría de los antibióticos actúan al interferir con las funciones esenciales de la bacteria, como la división celular o la síntesis de proteínas, pero algunas bacterias, como MRSA (Staphylococcus aureus resistente a la meticilina) y organismos CRE (enterobacterias resistentes a carbapenem), han evolucionado hasta convertirse en prácticamente intratables con los medicamentos existentes. Gracias a CRISPR es posible controlar los genes específicos que permiten a las bacterias sobrevivir al tratamiento con antibióticos.

Investigadores de la Rockefeller University están trabajando en un antibiótico más inteligente. Estos antimicrobianos selectivos están programados para dirigirse selectivamente a las bacterias malas, concretamente a aquellas que albergan genes de resistencia a antibióticos, mientras que dejan sin aniquilar a los microbios inocentes que además pueden resultar beneficiosos para nuestra salud.

En Agricultura al igual que ocurre en el ámbito de la medicina, son muchas las aplicaciones que se están pensando para la tecnología CRISPR, ya que del mismo modo se puede utilizar para luchar contra las enfermedades que atacan a las plantas y los animales de los que nos alimentamos, e incluso mejorarlos para que su consumo pueda resultar más beneficioso para nosotros. A todo esto hay que añadir las ventajas que tiene la mejora genética de plantas y animales, en lo que se refiere a la posibilidad de reducir el uso de productos químicos como los fertilizantes y fitosanitarios usados en agricultura, además de evitar el uso de medicamentos para tratar las enfermedades del ganado, que de esta forma se podrían eliminar con las ventajas que ello conlleva para el medio ambiente y para nuestra salud, al eliminar sustancias que puedan resultar tóxicas para las personas. Ejemplo de ello es el trabajo que realiza investigador chino Gao Caixia al aplicar esta tecnología para la creación de una cepa de trigo resistente a la enfermedad del oídio. A esta cepa le faltan genes que producen proteínas que reprimen las defensas en contra del oídio, para ello se borraron todas las copias de los genes del genoma hexaploide del trigo. Gracias a esta nueva cepa de trigo se espera reducir o eliminar el gran uso que se suele hacer de fungicidas para controlar la enfermedad. Para conseguirlo se han utilizado los sistemas de edición génica TALENs y CRISPR. Otra aplicación de esta tecnología en agricultura la encontramos en el trabajo que realiza el un científico Yinong Yang que ha utilizado la técnica de edición genética CRISPR para cortar varias letras de ADN del genoma del champiñón Agaricus bisporus de forma que se ha podido eliminar una encima que los vuelve de color marrón en lugar del color blanco que lo caracteriza.

En Alimentación gracias a la tecnología CRISPR se están creando factorías microbianas, para producir alimentos, que no se vean afectadas por los ataques víricos, al estar vacunadas contras los virus. Streptococcus thermophilus es una bacteria que ha sido domesticada por el hombre y que ha sido utilizada desde principios del siglo XX en la elaboración de quesos y yogur. Estas bacterias son atacadas con frecuencia por virus bateriófagos que pueden arruinar por completo la producción de estos alimentos. Precisamente los investigadores de la empresa de alimentación Danisco han jugado un papel fundamental en el desarrollo de la tecnología CRISPR, encontrando a su vez una solución a los propios problemas a los que se enfrentaba esta industria. Igualmente esta tecnología resultará de gran utilidad para solucionar otras problemáticas a las que se enfrenta la industria alimentaria, ya sea a nivel de mejorar genéticamente las plantas o animales que producen las materias primas con las que se elaboran los alimentos, o a la hora de luchar contras las plagas y enfermedades que tienen estas plantas y animales.

Startups que trabajan utilizando la tecnología CRISPR

En abril de 2014 Zhang y el Instituto Broad obtuvieron la primera de entre varias patentes generales que cubren el uso de CRISPR en eucariotas. Eso les otorgaba los derechos para usar CRISPR en ratones, cerdos, humanos… prácticamente  en cualquier criatura que no fuera una bacteria. La velocidad de obtención de la patente sorprendió a algunos. Y fue porque el Instituto Broad había pagado de una manera discreta para que la revisaran muy rápido, en menos de seis meses. Además el proceso se llevó a cabo de una manera casi “secreta”. Junto con la patente llegaron más de mil páginas de documentos. Doudna había presentado antes que la de Zhang, una solicitud de patente. Pero, según Zhang, la predicción de Doudna en su solicitud de que su descubrimiento funcionaría en humanos era una “mera conjetura” y que en cambio él fue el primero en demostrarlo en un acto de invención distinto y “sorprendente”. Para demostrar que fue “el primero en inventar” el uso de  CRISPR-Cas en células humanas, Zhang presentó fotos de cuadernos de laboratorio que según él demuestran que tenía el sistema en marcha a principios de 2012, incluso antes de que Doudna y Charpentier publicaran sus resultados o solicitaran su propia patente. Esa cronología significaría que él descubrió el sistema CRISPR-Cas independientemente. En una entrevista, Zhang afirmó que había hecho los descubrimientos él solo. Al preguntársele qué había aprendido del artículo de Doudna y Charpentier, dijo “no mucho”.

En el juego de las patentes aparecen implicadas tres start-up para las que el control de esas patentes es clave. Entre esas empresas están Editas Medicine,  Intellia Therapeutics, ambas de Cambridge, y CRISPR Therapeutics, una start-up de Basilea (Suiza) cofundada por Charpentier pero cada vez hay más voces que piden que, debido a la gran capacidad de curar enfermedades, la tecnología no quede protegida por patente y se deje como acceso público. La propia Charpentier asegura que la tecnología ha sido puesta libremente a disposición de la comunidad investigadora, por lo que no cree que la patente suponga ningún obstáculo al avance científico.

El panorama actual de los derechos de esta tecnología es, al contrario de lo que sucede cuando hablamos de otras donde son grandes empresas las que tienen una predominancia en el mercado, en el caso del desarrollo de la tecnología CRISPR-Cas9 y su posterior comercialización, nos encontramos que son startups las que se han posicionado como líderes:

• Caribou Biosciences cuenta con los derechos comerciales de los patentes que ha solicitado la Universidad de California en Berkeley de CRISPR-Cas9. La empresa fundada como una spin-off de la universidad, por Jennifer Doudna, Martin Jinek, Rachel E. Haurwitz y James Berger, cuenta con más de 44 millones de dólares de inversión y entre sus inversores están importantes fondos de Venture Capital y la empresa farmacéutica Novartis.

• Editas Medicine fundada en 2013 por Jennifer Doudna, Feng Zhang y J. Keith Joung, ha realizado rondas de inversión por valor de 210 millones de dólares y comenzó a cotizar en el Nasdaq en febrero de 2016, contando actualmente con un valor superior a 600 millones de dólares. Entre su actividad encontramos por ejemplo el trabajo con la compañía inmunoterapéutica Juno Therapeutics para crear terapias de células inmunológicas anticancerosas.

• Intellia Therapeutics fundada en 2014 ha realizado dos rondas inversión por valor de 85 millones de dólares y cotiza en bolsa desde mayo de 2016, contando actualmente con una valoración de 466 millones de dólares. La empresa también cuenta entre sus fundadores con la investigadora Jennifer Doudna y entre sus inversores con las empresas Caribou Biosciences y Novartis, con la que realiza actividades de investigación y desarrollo para el uso de CRISPR ex vivo para la ingeniería de células T con un quimérico receptor de antígeno (CART) y precursores hematopoyéticos (HSC).

• CRISPR Therapeutics fundada en 2013 en Londres por Emmanuelle Charpentier, Rodger Novak, , Craig Mello, Chad Cowan, Matthew Porteus y Daniel Anderson, ha recibido 127 millones de dólares en 3 rondas de inversión y cotiza en bolsa desde octubre de 2016 contando actualmente con un valor de 905 millones de dólares.

• ERS Genomics es la empresa creada para comercializar la propiedad intelectual CRISPR-Cas9 de la co-inventora y co-propietaria de la patente Emmanuelle Charpentier.

Entre los fundadores de estas startups encontramos a algunos de los científicos que han jugado un papel más relevantes en los descubrimientos que permitieron diseñar la tecnología de edición genética CRISPR-Cas9, de forma que toman el protagonismo no solo a nivel de investigación sino también a nivel de negocio, explotando el uso de las patentes que se han generado y pudiendo formar parte de los desarrollos comerciales que se vayan a realizar en el futuro, basados en la aplicación de esta tecnología en ámbitos como la salud y la alimentación.

Otras startups a tener en cuenta si te interesa conocer la aplicación a nivel de negocio de la tecnología CRISPR son: Sangamo BioSciences que investiga, desarrolla y comercializa proteínas ligantes de ADN diseñadas para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas; Atum que se dedica al desarrollo de herramientas para la edición y la ingeniería del genoma, Precision Biosciences que se dedica a la edición del genoma en un esfuerzo por superar el cáncer, curar enfermedades genéticas y permitir el desarrollo de fuentes de alimentos más seguras y productivas;  ToolGen es una empresa coreana que se dedica a utilizar CRISPR-Cas9 para distintas aplicaciones de ingeniería genética; Ovascience que se dedica al desarrollo y comercialización nuevos tratamientos de fertilidad para mujeres; Calyxt que utiliza esta tecnología con el objetivo de crear alimentos que resulten más saludables para las personas; Bluebird Bio que desarrolla productos que abarcan la terapia génica, la inmunoterapia contra el cáncer y la edición de genes, proporcionando el potencial para tratar y curar una amplia gama de enfermedades graves; E-Gensis es una empresa creada por el científico George Church para explotar comercialmente los resultados de las investigaciones que realiza para aplicar la tecnología CRISPR en la utilización de cerdos como fábricas de órganos para trasplantes a humanos; Recombinetics utiliza las tecnologías de edición del genoma que no permiten realizar alteraciones genéticas precisas: TALENs y CRISPR-Cas9.

Las grandes empresas de la industria farmacéutica han visto en CRISPR una gran oportunidad para mejorar sus productos, por lo que se han lanzado a investigar en este ámbito y sobre todo a colaborar con las startups que cuentan con las patentes de la tecnología, fruto de los descubrimientos realizados en los centros de investigación. A continuación podemos conocer algunas de estas grandes empresas y parte del trabajo que están realizando.

Novartis comenzó a colaborar a principios de 2015 con las empresas Intellia Therapeutics y Caribou Biosciences para la elaboración de medicamentos y herramientas para el descubrimiento de fármacos con la técnica CRISPR de modificación genética.

AstraZeneca ha llegado a acuerdos con el Instituto Wellcome Trust Sanger, la Iniciativa Innovative Genomics, y los Institutos Broad and Whitehead de Massachusetts, y Thermo Fisher Scientific para utilizar la tecnología CRISPR en la identificación y validación de nuevos objetivos en modelos preclínicos en una variedad de enfermedades.

En diciembre de 2015, Bayer y CRISPR Therapeutic crearon una joint venture denominada Casebia Therapeutics, para el desarrollo de líneas de investigación y de fármacos en las áreas de enfermedades sanguíneas, ceguera y problemas cardíacos congénitos. La empresa tiene acceso a la tecnología de edición de genes de Crispr Therapeutics para zonas especiales en enfermedades, así como a los conocimientos de ingeniería de proteínas y enfermedad relevante por intercambio de tecnologías de Bayer.

Otras farmacéuticas que trabajan con la tecnología CRISPR son: Juno Therapeutics que cuenta con un acuerdo con la startups Editas para crear terapias de células inmunológicas anticancerosas; Vertex Pharmaceuticals que ha realizado un acuerdo con Crispr Therapeutics que podría ser valorado en 2.600 millones de dólares; Regeneron Pharmaceuticals que dispone de un acuerdo de licencia de patente con ERS Genomics y una colaboración valorada en 75 millones de dólares, para trabajar con Intellia Therapeutics en el desarrollo de estas tecnologías.

Por otro lado nos encontramos a las empresas que aplican la biotecnología en el sector agrícola donde destaca la actividad que realizan: DuPont que cuenta con una licencia para utilizar la tecnología CRISPR-Cas9 en una alianza de investigación con CIMMYT (Centro internacional de mejoramiento de maíz y trigo, con sede en Texcoco), para aplicar esa tecnología con el fin de crear maíces genéticamente manipulados. Para ello dispone de un acuerdo con Caribou Sciences, la spin-off del laboratorio de Jennifer Doudna, de la Universidad de California en Berkeley. La empresa lleva desde 2015 experimentando con el cultivo de plantas de maíz y trigo editadas genéticamente con CRISPR y se propone llevar al mercado los primeros productos dentro de un periodo de entre 5 y 10 años. Algunos de estos productos podrían ser una variedad de maíz resistente a las sequías y una variedad de trigo modificado genéticamente para que se cultive como un híbrido, en lugar de autopolinizarse. Las plantas híbridas son vigorosas, y su rendimiento puede aumentarse por el 10% o 15%. También Monsanto ha realizado una alianza con el Instituto Broad del MIT para disponer de una licencia no exclusiva para aplicaciones agrícolas de la tecnología CRISPR-Cas para su uso en el desarrollo de semillas.

¿Y en España qué?

El científico español Francisco J. M. Mojica, realizó una poartación de indudable valor sin la cual probablemente no habríamos llegado a una situación tan prometedora como la actual. Además, existe alguna iniciativa concreta que puede servir como punta de lanza para que nuestro país no se quede al margen de una tecnología que tanto puede hacer por ayudar a mejorar la vida de las personas.

En España el CSIC fue el primer laboratorio en aplicar las herramientas CRISPR para hacer modelos animales en el estudio de enfermedades raras, en concreto en la condición genética del albinismo, cuya mayor discapacidad es la visual. Breaking Cas es una herramienta online desarrollada en el Centro Nacional de Biotecnología del CSIC con el objetivo de facilitar el diseño de experimentos de edición génica utilizando la técnica CRISPR-Cas. Con esta aplicación se puede diseñar el ARN-guía necesario para la implementación de esta técnica y que ha de ser específico para cada experimento que se quiera realizar. El software ayuda a los investigadores a realizar la edición génica con CRISPR con cientos de genomas de cerca de 700 organismos eucariotas, que están contenidos en la plataforma Ensembl. Además la herramienta ayuda a minimizar las posibilidades de que se produzcan errores debido a cortes y ediciones del genoma en un puntos diferentes al deseado, del mismo modo que es posible ajustar las características de la enzima nucleasa utilizada, ya que, aunque la más común es Cas9, existe la posibilidad de utilizar otras proteínas.

Para finalizar os dejamos un enlace a este vídeo donde nos invitan además a reflexionar sobre la utilidad y futuro de la tecnología CRISPR.

Fuentes: 

- CRISPR, la nueva revolución genética. LA VANGUARDIA. 

- Everything You Need to Know About CRISPR, the New Tool that Edits DNA. Sarah Zhang

- La técnica CRISPR para editar genes: una revolución imparable, según el CSIC. LA VANGUARDIA.

- Especial CRISPR revista NATURE (http://www.nature.com/news/crispr-1.17547).

- El blog de BAYER. ¿Qué es la tecnología CRISPR?. 

- Qué es CRISPR y por qué es tan importante para nuestro futuro. Futurizable. Javier Martín.

- ¿Qué es la tecnología CRISPR/Cas9 y cómo nos cambiará la vida?. DCiencia para Todos. Alberto Morán. 

MICROBIOMA: LA IMPORTANCIA DE LOS MICROBIOS QUE VIVEN EN NOSOTROS

Baterias, virus, levaduras y otros microorganismos habitan de modo natural en nuestro tracto gastrointestinal, piel, fosas nasales, tracto urogenital, etc, es decir, en los tejidos superficiales en contacto con esos pequeñísimos seres que habitan en el medio ambiente, desde donde acceden a nuestro organismo y se instalan en una relación simbiótica comensal. Es lo que los científicos llaman microbiota normal o microbioma. 

Al igual que el genoma contenido en las células humanas, cada individuo, es huésped de un perfil microbiológico único, el cual se ve modificado a lo largo de su vida por el entorno, la dieta, la higiene, el estrés y otros factores que en ocasiones pueden determinar que dicho ecosistema se vea alterado y con ello nuestra salud. 

Las investigaciones científicas que vienen realizándose en los últimos años, están demostrando que, curiosamente, a pesar de la grandes diferencias entre individuos en términos de taxonomía bacteriana, el perfil genético funcional expresado por esa comunidad microbiana presenta homologías en personas sanas. Este concepto, parece clave a la hora de definir un ecosistema bacteriano beneficioso para nuestra salud, es decir, el microbioma de un individuo será tanto más “normal” cuanto más se parezca su perfil genético funcional a un estándar. Por ello, conocer y caracterizar su composición es una herramienta de vital importancia para entender parte del funcionamiento de nuestro organismo.

Pero identificar la relación entre la variabilidad de las poblaciones y su influencia entre la salud y la enfermedad no es tarea sencilla. La aparición de nuevas técnicas de secuenciación así como el desarrollo de herramientas bioinformáticas han permitido no solo iniciar la descripción de la composición de la comunidad bacteriana que habita en cada localización, sino también las funciones metabólicas de las que proveen al huésped. Mediante aproximaciones metagenómicas, basadas en el análisis del genoma de los organismos residentes en nuestro organismo, se están estudiando las relaciones entre los integrantes del microbioma y su respuesta ante determinados factores. Para este tipo de análisis, los catálogos de genes de referencia del microbioma humano son cruciales. Mediante estas bibliotecas, los investigadores pueden comparar las lecturas del ADN obtenidas en las muestras e identificar y cuantificar las especies presentes.

Durante los últimos años dos grandes proyectos están descifrando la estructura y funcionalidad de la flora intestinal humana así como su relación con diversas enfermedades. Por una lado, el Proyecto MetaHIT soportado con fondos del 7ª Programa Marco de la Unión Europea, y por otro, el Human Microbiome Project, subvencionado por el National Institute of Health de los Estados Unidos.

Pero en el último número de Nature Biotechnology y gracias al esfuerzo combinado de más de 25 centros de investigación, se ha publicado un trabajo sobre la elaboración del catálogo de genes de referencia del microbioma humano del intestino más completo hasta la fecha. En él, los investigadores completaron el catálogo MetaHIT, añadiendo 250 muestras europeas más, casi 400 muestras chinas y más de un centenar de muestras americanas. El catálogo incluye casi 10 millones de genes no redundantes y está muy próximo a alcanzar la saturación, es decir, a incluir toda la información sobre la función de los genes del microbioma.

Los análisis muestran diferencias en la microbiota de las diferentes poblaciones en aspectos como el metabolismo de los nutrientes y la detoxificación xenobiótica, que pueden haberse ido modelando con la dieta y el ambiente de dichas poblaciones. La información contenida en el catálogo puede visualizarse en el sitio web del IGC. 

Pero, ¿por qué tanto interés por definir los microorganismos que habitan en nuestro tracto digestivo?

El objetivo central del proyecto europeo MetaHIT era establecer asociaciones entre los genes de la microbiota intestinal humana y nuestros estados de salud o enfermedad. En este proyecto se centraron en la enfermedad inflamatoria intestinal (IBD) y en la obesidad, dos desórdenes de importancia creciente en Europa. El cribado funcional en el seno de las técnicas de secuenciación de alto rendimiento consiste en la comparación de los genes derivados de la secuenciación íntegra de la muestra con secuencias que codifican para funciones conocidas. De esta forma es posible aproximarse a las funciones biológicas desempañadas por la comunidad bacteriana. Así se sabe que el amplio catálogo bacteriano descrito codifica proteínas implicadas hasta en 20.000 funciones biológicas. Algunas de ellas, son necesarias para la autonomía bacteriana como las principales rutas metabólicas (metabolismo hidrocarbonado, síntesis de aminoácidos), o la propia expresión génica (ARN y ADN polimerasas, ATP sintetasa). Otros genes codifican para funciones necesarias para la vida de las bacterias dentro del tracto gastrointestinal, es decir proteinas relacionadas con la adhesión a proteínas del huésped (colágeno, fibrinógeno, fibronectina) o el aprovechamiento de azúcares derivados de los glicopéptidos secretados por células epiteliales.

En nuestro intestino residen billones de células microbianas, con las que estamos en permanente interacción. A esta comunidad, constituida por distintos tipos de bacterias, eucariotas y virus se le denomina microbioma y participa en diversas funciones como la obtención de energía, absorción de carbohidratos no digeridos por el sistema digestivo humano o el desarrollo de la inmunidad, teniendo un papel clave en la salud y la enfermedad de los seres humanos. Patologías como la enfermedad inflamatoria intestinal, la diabetes mellitus tipo 2 o colitis pseudomembranosa, etc. han sido asociados a cambios en la composición de la flora gastrointestinal. No obstante, la consistencia entre distintos estudios es aún pobre para algunas de ellas. El hecho de asociación no implica necesariamente causalidad, pudiendo ser estos hallazgos consecuencia de la propia enfermedad. Para establecer un papel etiológicos se precisan estudios de intervención y seguimiento con restauración de la diversidad o composición teóricamente perdidos. Es también necesario resaltar que cualquier aproximación terapéutica que intente devolver un equilibrio perdido ha de realizarse desde una óptica de ecología bacteriana, es decir, tratando de restaurar grupos bacterianos y no cepas aisladas, tal como se ha demostrado en modelos animales.

Este concepto se refuerza con el tratamiento eficaz de trasplante de flora fecal para el tratamiento de colitis pseudomembranosa refractaria. Un estudio reciente llevado a cabo sobre individuos con síndrome metabólico y controlado contra placebo, procedió a la infusión de flora fecal procedente de individuos sanos delgados, y consiguió mejorar el perfil de resistencia insulínica a los pocos días de dicho trasplante. Las implicaciones clínicas de estos cambios precisa de más estudios, aunque es claro que este abordaje emerge como una nueva vía terapéutica, mucho más considerando su posible aplicación en mujeres embarazadas, niños y grupos de riesgo sin los inconvenientes de los antibióticos, o en el caso de resistencia bacteriana a estos en determinadas enfermedades. 

Fuentes:

Integrated Gene Catalogue Home

Proyecto europeo MetaHit

Human Microbiome Project

Nature Biotechnology

Genética médica news
Revista nutrición hospitalaria
Science Daily

LA ELAFINA, UNA PROTEÍNA CLAVE EN LA INTOLERANCIA AL GLUTEN

Científicos demuestran el papel clave de la elafina contra la reacción inflamatoria típica de la enfermedad celíaca (intolerancia al gluten) y patentan una estrategia para aportarla en el intestino a través de un probiótico. 

La enfermedad celíaca es una patología autoinmune cada vez más frecuente que se produce en individuos genéticamente predispuestos a la intolerancia al gluten, proteína del trigo y otros cereales presente en productos de panadería, galletas, pastas, bebidas malteadas y otros alimentos en cuya lista de ingredientes se incluya harina o almidón de estos cereales. Las personas afectadas no son capaces de producir las enzimas necesarias para degradar el gluten durante la digestión. Esta digestión anormal es la causante de la sintomatología celíaca lo que puede conducir a la destrucción de la barrera del intestino, esencial para la absorción de nutrientes. La prevalencia de esta enfermedad se estima entre 1/500 y 1/300 y su sintomatología incluye dolor crónico abdominal, diarrea, calambres... y predispone a ciertos tipos de cáncer (intestino delgado, linfoma).

Los científicos del Instituto Nacional Francés de Investigación Agronómica (INRA) y el Instituto Nacional Francés de Salud e Investigación Médica (INSERM), en colaboración con la Universidad McMaster (Canadá) y la École Polytechnique Fédérale de Zurich (Suiza)  han demostrado que la elafina, una proteína con propiedades anti-inflamatorias, es menos abundante en los pacientes con enfermedad celíaca que en las personas sanas. Identificaron que la elafina es capaz de prevenir la destrucción de la barrera del intestino durante la inflamación y de reducir la toxicidad del gluten en las personas celiacas al interactuar con las enzimas responsables de la descomposición anormal de gluten (transglutaminasa - 2).

Estas observaciones llevaron a los científicos a proponer una forma de hacer llegar la elafina a pacientes celíacos utilizando una bacteria que suele estar presente en los alimentos (Lactococcus lactis), la cual modificaron con el fin de expresar la elafina. La utilización de esta cepa, desarrollada por los mismos equipos del INRA y el INSERM, permite una producción específica y local de elafina.

En el estudio, los científicos administraron esta bacteria a ratones intolerantes al gluten demostrando que la elafina que aporta el probiótico disminuye significativamente la reacción inflamatoria. Los primeros resultados preclínicos abren camino a nuevas investigaciones de terapias para la enfermedad inflamatoria intestinal.

La estrategia fue publicada el pasado mes de abril en el American Journal of Gastroenterology y presentada para su patente por INRA en mayo de 2013, y sus perspectivas prometedoras podrían permitir el tratamiento de la celiaquía y la intolerancia al gluten en general, enfermedad para la que actualmente no existe un tratamiento curativo y la única solución es una dieta libre de gluten de por vida. El siguiente paso consistirá en la definición de los mecanismos subyacentes a los efectos positivos de la elafina en la enfermedad celíaca, así como la identificación de bacterias que producen naturalmente las proteínas con propiedades anti-inflamatorias similares a elafina.

¿TOMARÍAS EL GIN TONIC SI LA LIMA HA SIDO MODIFICADA GENETICAMENTE?

LA CRISIS DE LAS LIMAS MEJICANAS Y LA MODA DEL CONSUMO DE GIN TONIC ABRE DE NUEVO EL DEBATE SOBRE EL CONSUMO DE ALIMENTOS MODIFICADOS GENÉTICAMENTE.

En España, la lima ha pasado a ser en apenas unos años, de una fruta con escaso consumo a convertirse en un producto de lujo. El precio de este cítrico no ha dejado de incrementar en los últimos años, pero nada comparable con el precio que ha alcanzado en USA donde se ha cuadruplicado en los últimos dos meses, alcanzando a pagarse los 100 $ por caja.

El noventa y cinco por ciento de las limas que se consumen en los EE.UU. provienen de México, donde las severas lluvias del otoño pasado diezmaron la floración de los árboles produciendo una cosecha de limas más escasa que otros años. Las bandas armadas vinculadas a cárteles de la droga detectaron la escasez de limas y el alza de los precios resultante, para empezar a controlar los transportes y robar fruta de los campos. Los productores han tenido que contratar guardias armados, todo lo cual no ha hecho más que incrementar los precios.

Otro de los problemas de las limas de México es una enfermedad bacteriana conocida como el enverdecimiento de los cítricos (Huanglongbing (HLB) que produce la muerte de muchos de los arboles de los que se obtienen estos apreciados cítricos. El verano pasado, el New York Times publicó un extenso artículo acerca de los esfuerzos de una empresa americana, para desarrollar un árbol de naranja modificada genéticamente que podrían resistir la enfermedad, la cual ha sembrado el pánico en el estado de Florida pues podría acabar con gran parte de los árboles de naranja.

El HLB o enfermedad del enverdecimiento de los cítricos destruye la producción, apariencia y valor económico de los árboles de cítricos, y el sabor de la fruta y su jugo, afectando a todas las frutas de esta familia por lo que no hay razón para que la tecnología no funcione en todas las formas de cítricos. La tecnología en cuestión es la inserción de un gen de espinacas que codifica para una proteína que mata a las bacterias causantes del HLB. Fue desarrollado por Erik Mirkov, un patólogo vegetal en Texas y los estudios de campo sobre las naranjas y pomelos han sido bastante alentadores. También ha logrado introducir con éxito el gen en los limones, que pronto estará en las pruebas de campo y está introduciendo los genes antibacterianos en las plántulas para su aplicación en limas.

La tecnología abrirá sin duda de nuevo la controversia sobre el interés de la producción de alimentos genéticamente modificados, una batalla que persiste a pesar de un amplio consenso científico acerca de su seguridad. En México , donde la escasez de limas se se está sintiendo con más fuerza, un juez el pasado otoño ordenó la suspensión de nuevos permisos de maíz OGM.

UN PASO MÁS EN LA LUCHA CONTRA LA MALARIA

UN PROYECTO INTERNACIONAL DESCUBRE EL ORIGEN DE LA RESISTENCIA DEL MOSQUITO DE LA MALARIA AL INSECTICIDA DDT.

Cada minuto muere un niño en África a causa de la malaria. Aunque la mortalidad de la enfermedad se ha reducido casi a la mitad en los últimos quince años, la malaria o paludismo es una enfermedad presente en Asia, Latinoamérica y, en menor medida, Oriente Medio y algunas zonas de Europa. En 2013 el paludismo estaba presente en 97 países y territorios y según datos de la OMS sigue matando a más de 600.000 personas y afectando a más de 200 millones cada año. 

La malaria es originada por parásitos del género Plasmodium que se transmiten al ser humano por la picadura de mosquitos infectados del género Anopheles, los llamados vectores del paludismo, que pican sobre todo entre el anochecer y el amanecer. Unas 20 especies de mosquitos del género Anopheles están descritas en todo el mundo como transmisoras de la enfermedad, insectos que se crían en agua dulce de poca profundidad (charcos, campos de arroz o huellas de animales) y cuya resistencia a los insecticidas tradicionales (DDT) ha supuesto hasta ahora un serio problema en el control de la enfermedad.

Pero un estudio internacional en el que ha participado el Departamento de Cristalografía y Biología Estructural del Instituto de Química Física Rocasolano (CSIC) ha demostrado que una mutación puntual en la enzima glutatión transferasa (GST) es la responsable de la resistencia del mosquito Anopheles funestus al insecticida DDT.

El estudio, que se ha publicado en la revista Genome Biology, muestra por un lado una correlación entre este marcador y las poblaciones de mosquitos que han mostrado resistencia al DDT en África y, por otro, que la mutación produce cambios en el centro activo de la enzima que permiten metabolizar este insecticida.

El Instituto de Química Física Rocasolano del CSIC ha trabajado precisamente en este último aspecto. Mediante cristalografía de rayos X, los investigadores han comparado la estructura de la GST procedente de un mosquito sensible y resistente al DDT. Las diferencias observadas muestran que la resistencia al insecticida reside en la capacidad de reconocer y degradar la molécula del DDT.

Este hallazgo proporciona una valiosa herramienta para monitorizar la resistencia del Anopheles funestus al insecticida en el continente africano y abre las puertas al desarrollo de nuevos compuestos más efectivos.

Fuente: CSIC

BOEKE Y SU LEVADURA ARTIFICIAL. DISEÑANDO EL PRIMER ORGANISMO EUCARIOTA SINTÉTICO

Unos han dicho que es un hito para la genómica, otro que con este proyecto "se ha alcanzado el Everest de la biología sintética". Siete años de investigaciones ha costado al equipo del consorcio liderado por el Dr. Jef Boeke, Director del Instituto de Genética de Sistemas de la Universidad de Nueva York conseguir este nuevo hito en la ciencia, el cual acaba de ser publicado en la reviste Science. 

Unos trabajos que se iniciaron con un proyecto de 50 estudiantes universitarios en un curso de verano (Build genome, construye un genoma) en la John Hopkins de Baltimore. Quién les iba a decir a esos chavales que, siete años después, con las secuencias sintéticas de ADN que fueron pegando durante año y medio en tramos cada vez mayores llegarían finalmente a reconstruir los 300.000 nucleótidos del cromosoma final. 


Se trata del primer cromosoma eucariótico fabricado en el laboratorio, y gracias a los avances en la última década de la biología sintética, una disciplina que ya había permitido a científicos del Instituto J. Craig Venter Institute ensamblar los 582.970 pares de bases del único cromosoma procariota de la bacteria Mycoplasma genitalium en el 2008. 

El organismo elegido fue una levadura conocida desde antiguo (Saccharomyces cerevisiae) y bien estudiada por los científicos. Compuesta por 12 millones de nucleótidos o letras genéticas, ensartados en un orden particular, se eligió el cromosoma III, un favorito sentimental de los genetistas de levadura según Boeke "Fue el primer cromosoma de levadura que se secuenció, ya que contiene los genes que controlan el comportamiento sexual".

La levadura Saccharomyces es utilizada cada día para hacer cerveza, pan, biocombustible y enfoca la mitad de la investigación sobre los organismos eucariotas, como nosotros. El cromosoma sintético creado parece funcionar de manera indistinguible de la levadura nativa. Boeke y sus colegas estaban encantados " El producto obtenido todavía se ve, huele y se comporta como una levadura normal".

El avance científico permitirá su utilización como modelo para investigar enfermedades metabólicas o neurológicas humanas, crear biocombustibles más sostenibles para el entorno o diseñar nuevos antibióticos, además de un nuevo reto de investigación, construir el genoma entero de un organismo superior, en el cual el equipo de la Universidad de Nueva York ya está trabajando.

Fuente: Science Magazine

EL SERIDA DESCUBRE NUEVOS GENES QUE CONTROLAN EL CRECIMIENTO DE LA RAIZ

Un artículo publicado esta semana en la revista Nature Genetics, por un equipo de investigadores del Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology (Viena) perteneciente a la Austrian Academy of Sciences del que forma parte la Dra. Mónica Meijón, del Servicio Regional de Investigación y Desarrollo Agroalimentario (SERIDA) del Principado de Asturias, ha revelado la importancia de la caracterización e identificación de un nuevo gen que regula el crecimiento de la raíz.

En este trabajo dirigido por el Dr. Wolfgang Busch, se ha identificado y caracterizado un nuevo gen que regula el desarrollo del meristemo radicular en plantas. El meristemo radicular es el tejido que permite a las plantas mantener un crecimiento continuo de la raíz. Este tejido está constituido por células no diferenciadas con capacidad para producir cualquier tipo de tejido radicular bajo determinadas condiciones, son las llamadas “células madre”.

Sabemos que la raíz es un órgano esencial para la planta, tanto desde el punto de vista nutricional como por permitirle la absorción del agua.  Además, este órgano es fundamental porque ejerce un gran control sobre la capacidad de adaptación a las condiciones ambientales constantemente cambiantes a que se enfrentan las plantas, y más aún en el actual entorno de cambio climático.

Para la realización de este trabajo los investigadores han empleado una técnica novedosa, “Genome Wide Association (GWA) studies”, fundamentalmente usada hasta la fecha en la identificación de genes asociados al desarrollo de determinadas enfermedades en humanos. Dicha técnica consiste en tratar de relacionar, mediante determinados algoritmos, las variaciones que se aprecian en miles de individuos en un determinado carácter (variaciones fenotípicas), con cambios específicos en el genoma de los mismos individuos.

Concretamente, en este trabajo, se estudiaron las variaciones en longitud y desarrollo de raíz en 201 ecotipos de Arabidopsis thaliana procedentes de diferentes partes del mundo (una pequeña planta que se emplea como especie modelo en estudios de genómica y fisiología vegetal dado su fácil manejo) cruzando esos datos, a través de fórmulas matemáticas, con las variaciones en el genoma detectadas en esos ecotipos. Así, de este modo se logró identificar un nuevo gen implicado en el desarrollo radicular, que se denominó KUK (“Kurz und Klein” corto y pequeño, en alemán).

Paralelamente, y a través de técnicas de biología molecular clásicas se caracterizó la funcionalidad de KUK demostrando la implicación de este gen en la división y elongación celular que debe sufrir el meristemo radicular, previo al inicio de los procesos de diferenciación que inducirán el desarrollo de los diferentes tejidos que constituyen la raíz de una planta.

Este hallazgo supone un avance considerable en los estudios de adaptación de las plantas al cambio climático, además de validar la utilidad de esta novel tecnología, GWAs, en la identificación de nuevos genes implicados en procesos de desarrollo y/o adaptación concretos.

Referencia bibliográfica:

Mónica Meijón, Santosh B Satbhai Tsuchimatsu & Wolfgang Busch. Genome-wide association study using celular traits identifies a new regulator of root development in Arabidopsis. Nature Genetics (2013) doi: 10.1038/ng.2824.

Fuente: SERIDA