La edición genética utiliza enzimas para realizar cambios precisos en la secuencia de ADN de un gen. La edición puede corregir defectos genéticos o introducir nuevos rasgos en un organismo. Existen varias técnicas diferentes para la edición de genes, entre ellas CRISPR/Cas9, que utiliza una enzima programable llamada Cas9 para cortar el ADN de doble cadena en un lugar específico. En ese lugar se pueden insertar, eliminar o modificar los nucleótidos deseados. En un artículo anterior, describí cómo CRISPR/Cas9 utiliza repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas (CRISPR) de ADN y una enzima (Cas9) que corta o hidroliza el ADN. También se denomina simplemente CRISPR. Se está utilizando para crear nuevos alimentos.1 CRISPR puede convertirse en una parte importante de la cuarta revolución industrial. Los científicos lo están utilizando para cortar y pegar casi cualquier secuencia de ADN deseada. Los genes defectuosos pueden cortarse y sustituirse por el gen funcional deseado, o insertar nuevos genes que confieran mejores cualidades al receptor. Se ha utilizado para fabricar bacterias modificadas genéticamente (Streptococcus thermophilus) que se utilizan para hacer yogures y quesos.2

Uno de los posibles usos de la edición genética es el desarrollo de nuevos cultivos y plantas con características mejoradas. Por ejemplo, los investigadores han utilizado CRISPR/Cas9 para crear plantas de arroz más resistentes a plagas y enfermedades, lo que podría ayudar a aumentar el rendimiento de los cultivos y reducir la necesidad de pesticidas químicos. La edición genética también se ha utilizado para producir plantas con un contenido nutricional mejorado, como el arroz con mayores niveles de vitamina A, que podría ayudar a combatir la malnutrición en los países en desarrollo.

Otra posible aplicación de la edición genética es la producción de nuevos fármacos. Por ejemplo, los investigadores han utilizado CRISPR/Cas9 para producir cepas de levadura capaces de sintetizar artemisinina, un fármaco contra la malaria, con más eficacia que los métodos actuales. La edición genética también podría utilizarse para crear microorganismos capaces de producir otros productos farmacéuticos valiosos, como proteínas para su uso en biotecnología y medicina.

La edición genética puede revolucionar el campo de la medicina al permitir a los investigadores localizar y corregir con precisión mutaciones genéticas causantes de enfermedades. Por ejemplo, los investigadores han utilizado CRISPR/Cas9 para corregir una mutación genética que causa anemia falciforme en células humanas en un entorno de laboratorio. En el futuro, la edición genética podría utilizarse para tratar una amplia gama de enfermedades genéticas, como la fibrosis quística, la distrofia muscular y la enfermedad de Huntington.

La edición genética también podría tener importantes aplicaciones en la protección del medio ambiente. Por ejemplo, los investigadores han utilizado CRISPR/Cas9 para crear árboles modificados genéticamente más resistentes a plagas y enfermedades, lo que podría ayudar a prevenir la deforestación. La edición genética también podría utilizarse para crear microorganismos capaces de descomponer contaminantes ambientales, como vertidos de petróleo y sustancias químicas tóxicas, con más eficacia que los métodos actuales.

La edición genética puede revolucionar muchos sectores, como la agricultura, la industria farmacéutica y la protección del medio ambiente. Aunque todavía quedan muchos retos por superar, como garantizar la seguridad y eficacia de los organismos editados genéticamente, las aplicaciones potenciales de la edición genética son amplias y variadas, y esta tecnología tiene el potencial de tener un gran impacto en la sociedad en las próximas décadas.

Aunque CRISPR/Cas9 y otras técnicas de edición genética pueden utilizarse para realizar cambios precisos en la secuencia de ADN de un gen, no son capaces de cortar y pegar cualquier secuencia deseada. Existen limitaciones a lo que se puede conseguir con estas técnicas, y los cambios específicos que se pueden realizar dependen del sistema concreto que se utilice y de la secuencia específica a la que se dirija.

CRISPR/Cas9 y otros medios de edición de genes también se están utilizando en medicina, protección del medio ambiente, biotecnología industrial e investigación básica. Potencialmente, pueden utilizarse para curar enfermedades genéticas corrigiendo las mutaciones que causan la enfermedad. Esto podría ser especialmente útil para enfermedades que no tienen cura o que están causadas por múltiples mutaciones genéticas. La edición genética también puede ayudar a restaurar poblaciones de especies en peligro de extinción y crear organismos modificados genéticamente que puedan ayudar a limpiar contaminantes medioambientales. Puede utilizarse para crear microorganismos capaces de producir sustancias químicas valiosas, combustibles u otros productos de forma más eficiente que con los métodos actuales. La edición genética también se está utilizando para estudiar la función de genes específicos y comprender cómo afectan a diversos procesos del cuerpo humano o de otros organismos. Este conocimiento puede ayudar a los investigadores a desarrollar nuevos tratamientos y terapias para una amplia gama de enfermedades y afecciones.

Aunque es posible que la edición de genes pueda utilizarse para ayudar a restaurar poblaciones de especies en peligro, es importante señalar que el uso de organismos modificados genéticamente para limpiar contaminantes medioambientales sigue siendo un área de investigación y desarrollo activos, y aún no está claro hasta qué punto este enfoque será eficaz en la práctica.

Los microbios no modelo procedentes de entornos complejos han evolucionado para utilizar fuentes de carbono más baratas y respetuosas con el medio ambiente que los microbios modelo.3 Algunos tienen una fisiología versátil y capacidades metabólicas que pueden utilizarse para producir biocombustibles, así como nuevos antibióticos que podrían aliviar los problemas causados por las bacterias patógenas multirresistentes. También son capaces de tolerar entornos de procesamiento industrial extremos, como pH bajo, salinidad elevada y temperaturas altas; por ello, los microbios no modelo se han convertido en uno de los puntos calientes de la ingeniería metabólica. Sin embargo, la falta de herramientas sencillas de edición de genes dificulta la caracterización y modificación genética de los microbios no modelo. Por otra parte, para comprender y mitigar los mecanismos de resistencia a los fármacos es necesario aplicar métodos de ingeniería genética que ayuden a localizar y editar genomas microbianos patógenos.3

La tecnología de edición genética ha mejorado hasta el punto de poder modificar una sola base nucleotídica del ADN. Esto se denomina edición de una sola base.4 Los editores de bases utilizan facetas de CRISPR-Cas9 combinando enzimas que modifican el ADN con una forma catalíticamente inactiva de Cas9. Con los editores de bases, los laboratorios pueden convertir una base en otra: un par de bases C-G se convierte en T-A, o A-T puede convertirse en G-C. Esta conversión se produce sin cortar el ADN de doble cadena, sin invocar los mecanismos de reparación del ADN que siguen a las roturas de doble cadena ni utilizar una plantilla donante. La primera generación de editores de bases del laboratorio de Liu utilizó una citidina deaminasa fusionada con Cas9 (dCas9) catalíticamente deficiente. Cada una de las siguientes generaciones de editores de bases mejoró la eficacia o la especificidad de la edición, o ambas.

Addgene ha ayudado a los laboratorios a iterar, optimizar y reoptimizar las herramientas de edición de genes.5 Al 23 de diciembre de 2022, contaban con 430 plásmidos CRISPR-Cas9 diseñados para la edición de bases en mamíferos, 30 para bacterias, 71 para plantas, 30 para levaduras y dos para peces cebra.

Recientemente, se anunció su uso para curar una forma de leucemia (leucemia linfoblástica aguda de células T, LLA-T) en una niña de 13 años.6 Ya había recibido todas las terapias convencionales actuales para su cáncer, incluida la quimioterapia y un trasplante de médula ósea. Desgraciadamente, la enfermedad reapareció y no había más opciones disponibles de tratamiento habitual. Fue la primera paciente que se inscribió en un nuevo ensayo clínico. Ingresó en la Unidad de Trasplante de Médula Ósea del Hospital Infantil Great Ormond Street (Great Ormond Street Hospital for Children, GOSH). Recibió células T modificadas genéticamente que contenían un receptor de antígeno quimérico procedente de un donante sano. Estas células habían sido modificadas mediante una nueva tecnología de edición de bases que les permitía encontrar y destruir las células T cancerosas sin atacarse entre sí. Solo 28 días después, la paciente estaba en remisión y recibió un segundo trasplante de médula ósea para restaurar su sistema inmunitario. Ahora, seis meses después de salir del TMO, se encuentra bien en casa recuperándose con su familia. Continúa su seguimiento en GOSH. La edición de bases es una técnica de edición genética aún más precisa que CRISPR y tiene menos riesgos de efectos no deseados en los cromosomas y, por tanto, menos riesgo de efectos secundarios. Los investigadores del Great Ormond Street y del University College de Londres lograron extraer células T sanas de donantes y eliminar dos marcadores genéticos que impedían que las células modificadas fueran destruidas por el sistema inmunitario del paciente o por la quimioterapia.6

Los científicos ya habían eliminado la leucemia en varios pacientes convirtiendo sus linfocitos T citotóxicos en asesinos específicos de células cancerosas.7, 8 Utilizaron un vector lentiviral para expresar receptores de antígenos quiméricos (RAQ) en las células T citotóxicas de los pacientes. Se fusionaron dominios extracelulares e intracelulares en un nuevo receptor sintético para las células T. El gen para el RAQ se administró mediante un vector lentivirus, que se fabricó utilizando la columna vertebral del virus VIH-1 que ya no era patógeno y no podía causar el sida. Dado que el huésped natural del VIH-1 son los linfocitos T, el vector lentivirus se dirigió específicamente a las células cancerosas y se multiplicó en ellas. Los pacientes recibieron entre 15 millones y mil millones de linfocitos T citotóxicos (LTC). Estos LTC se multiplicaron rápidamente por 100.8

La terapia con células inmunitarias de ingeniería está mejorando la terapéutica del cáncer.9 La aprobación por la Food and Drug Administration (FDA) de los Estados Unidos de dos productos de células T con receptores de antígenos quiméricos (CAR), axicabtagene ciloleucel (Yescarta®) y tisagenlecleucel (Kymriah®), para el tratamiento de pacientes con neoplasias de células B. Sin embargo, serán necesarias varias ediciones genéticas para mejorar la eficacia de las terapias con células CAR-T si se quiere que traten con éxito las neoplasias refractarias, especialmente los tumores sólidos. Los efectos no deseados de la edición múltiple mediada por CRISPR-Cas9 están afectando a su seguridad y aplicación en la clínica. Las nuevas tecnologías de edición de bases ofrecen una alternativa prometedora y más segura para la edición simultánea que podría mejorar las inmunoterapias de ingeniería dirigidas a tumores sólidos y otras enfermedades humanas complejas. La edición génica es un campo en rápida evolución, en el que se publican novedades casi todas las semanas, que impulsan el desarrollo de terapias celulares.9

La edición primaria es una técnica más reciente que utiliza una enzima especializada llamada editor primario para realizar cambios precisos en la secuencia de ADN de un gen.10 Al igual que la edición de genes, la edición primaria puede utilizarse para corregir defectos genéticos o para introducir nuevos rasgos en un organismo. Sin embargo, la edición primaria tiene varias ventajas sobre las técnicas tradicionales de edición genética. Por ejemplo, la edición primaria puede realizar cambios en el ADN sin necesidad de cortarlo, lo que reduce el riesgo de cambios no intencionados en el genoma. La edición primaria también puede realizar una gama más amplia de cambios en el genoma que las técnicas tradicionales de edición de genes, incluidos los cambios en varios pares de bases a la vez y la conversión de un par de bases en otro. Se analizó un catálogo de 348 variantes causales que regulan importantes rasgos agronómicos del arroz. Los resultados sugieren que más del 85% de ellas pueden introducirse con precisión en el genoma del arroz mediante editores primarios. Además, los editores primarios producen muchas menos ediciones fuera del objetivo que los editores de bases.10

Notas

1 Smith, R. (2019). Using CRISPR gene editing to create new foods. An important part of the fourth Industrial Revolution. Meer. Mayo, 24.
2 Markakiou, S. et al. (2020). Harnessing the metabolic potential of Streptococcus thermophilus for new biotechnological applications. Current Opinions in Biotechnology. Vol. 61, pp. 142-152, ScienceDirect.
3 Li, M. et al. (2022).CRISPR-mediated base editing: from precise point mutation to genome-wide engineering in nonmodel microbes. Biology. Vol. 11, art. 571. PMC (nih.gov).
4 Marx, V. (2018). Base editing a CRISPR way. Nature Methods. Vol. 15, pp. 767-770.
5 Addgene, CRISPR Plasmids: Base Edit. 2022.
6 GOSH patient receives world-first treatment for her 'incurable' T-cell leukemia. Great Ormond Street Hospital for Children. Diciembre, 11, 2022.
7 Diorio, C. et al. (2022). Cytosine base editing enables quadruple-edited allogeneic CART cells for T-ALL. Blood. Vol. 140, p. 619-629. American Society of Hematology (ashpublications.org).
8 Radic, M. (2012). Armed and accurate: engineering cytotoxic T cells for eradication of leukemia. BMC Biotechnology. Vol. 12, p. 1-4.
9 Harbottle, J. A. (2021). Immunotherapy to get on point with base editing. Drug Discovery Today. Vol. 26, p. 2350-2357. ScienceDirect.
10 Hua, K. et al. (2022). Improvement of base editors and prime editors advances precision genome engineering in plants. Plant Physiology. Vol. 188, p. 1795-1810. PubMed (nih.gov).