CRISPR ultracompacta revela el primer virus con antivirus

El equipo de la investigadora Jennifer Doudna ha encontrado una nueva nucleasa Cas mucho más pequeña y versátil allí donde menos cabía esperar: en un virus. Este la ‘robó’ a una bacteria en algún momento de la evolución para enfrentarse a fagos rivales. Los resultados del estudio publicado en Science son preliminares, pero podrían servir para desarrollar herramientas de edición genética más eficaces.

Herramienta de edición genética. / © Adobe Stock
El mundo microbiológico también tiene sus ñus, leones y hienas. Como en los documentales de naturaleza, existe una lucha encarnizada por la supervivencia en forma de carrera armamentística evolutiva. Un estudio publicado hoy en la revista Science revela que una de las piezas de esta intricada competición microscópica podría ser aprovechada para la edición genética.
La importancia de esta enzima reside en su tamaño ultracompacto, la mitad en comparación con Cas9, una de las más utilizadas en biotecnología

Las secuencias CRISPR han saltado a la fama por su uso en herramientas de edición genética, pero la función original que desempeñan en la naturaleza es mucho más humilde. Estas repeticiones en el genoma de bacterias y arqueas contienen el material genético de sus enemigos, los virus bacteriófagos. Gracias a ellas pueden detectarlos y eliminarlos mediante una proteína nucleasa asociada a estas repeticiones, Cas, que los corta en pedazos. En otras palabras, las secuencias CRISPR son un sistema de defensa contra invasores.
Ahora, el equipo de la bioquímica estadounidense Jennifer Doudna, catedrática de Química y Biología Molecular de la Universidad de California en Berkeley (EE UU), ha encontrado un nuevo ejemplo allí donde menos cabría esperar: en un enorme bacteriófago, Biggiephages. “Todos los sistemas CRISPR-Cas conocidos fueron descubiertos en bacterias y arqueas, a las que protegen contra los fagos”, explica a SINC el microbiólogo de la universidad estadounidense y coautor del estudio, Basem Al-Shayeb. “Pero CasΦ ha sido hallada de momento solo en virus”.
Al-Shayeb asegura que la importancia de esta enzima reside en su tamaño ultracompacto, “la mitad en comparación con Cas9”, una de las más utilizadas en biotecnología. Su colega Patrick Pausch añade que CasΦ es “fascinante” porque puede llevar a cabo las dos funciones de una nucleasa con tan solo un único centro activo –procesar las guías de ARN y usarlas luego para cortar el ADN del virus invasor–. Además, corta ADN de cadena doble y sencilla, lo que puede aprovecharse, según los autores, con fines diagnósticos.
Pausch asegura que CasΦ “expande” las posibilidades de la edición genética con fines médicos porque es “menos restrictiva”. También evitaría “reacciones alérgicas” en los pacientes: “Las Cas9 que se utilizan provienen de bacterias patógenas [para el ser humano], por lo que la gente tiene anticuerpos contra ellas y la terapia es rechazada”. Puesto que los fagos que contienen la nueva nucleasa solo infectan bacterias, los investigadores confían en que esta no provoque una reacción inmunológica en personas.
El investigador del Centro Nacional de Biotecnología Lluís Montoliu, que no ha participado en el estudio, considera que son resultados “muy simples y preliminares”. En su opinión, el pequeño tamaño puede ser una ventaja o un inconveniente: “Veremos cuán versátil es [CasΦ], porque igual al usarlas nos damos cuenta de que no son tan útiles ni están preparadas para ser tan específicas”.
Aun así, Montoliu cree que es un buen punto de inicio para aprovechar estas proteínas y evolucionarlas hasta encontrar una que funcione mejor que la original. Los propios autores del trabajo admiten estas limitaciones. Aunque lograron editar células humanas y vegetales con cierta eficacia, Pausch aclara que CasΦ “está todavía en su infancia”. Aún es necesario “optimizar” esta nueva herramienta.
A pesar de esto, Montoliu destaca el “pequeño tamaño y maleabilidad” de la nucleasa. “Un problema que tenemos con la Cas9 es que es tan grande que no caben los vectores que se usan para terapia génica”, asegura. Al-Shayeb no cree que existan estas limitaciones con CasΦ y espera que dé lugar a herramientas más versátiles.
¿Qué hace un virus con un antivirus?
Montoliu explica que ya se conocían fagos que habían capturado CRISPR de bacterias a las que infectaban para desarrollar un sistema de “contradefensa” para circunvalar la defensa de la propia bacteria. Sin embargo, los virus descritos por el equipo de Doudna van un paso más allá.
“Estos virus han capturado sistemas CRISPR-Cas dirigidos contra otros virus que infectan a las mismas bacterias que ellos quieren infectar”, explica Montoliu

“Estos virus han capturado sistemas CRISPR-Cas dirigidos contra otros virus que infectan a las mismas bacterias que ellos quieren infectar”, explica Montoliu. En otras palabras, han incorporado un sistema que “corta y trocea a otros fagos” que hayan tenido “la osadía” de entrar en la misma víctima. Todo en aras de replicarse con mayor efectividad sin que el mayor tamaño de estos Biggiephages juegue en su contra frente a rivales “más pequeños y eficaces”.
Los sistemas CRISPR bacterianos suelen ser versátiles. “La ristra de repeticiones no son más que fragmentos de virus contra los que se ha enfrentado la bacteria en el pasado y que ahora generan guías para detectarlos y trocearlos”, resume Montoliu. “Hay un sistema inicial de captura que atrapa ese fragmento del nuevo virus y lo incorpora”.
Los Biggiephages han olvidado la versatilidad del sistema CRISPR robado y han decidido dejar de actualizar su antivirus. “Es un sistema ultracompacto porque solo tiene la nucleasa y las repeticiones que codifican las guías. No tiene el sistema de captación de nuevas repeticiones”. En español: estos fagos solo pueden vencer metiendo la tijera a unos pocos rivales, aquellos más frecuentes en las bacterias que infectan. Una limitación que le basta y sobra para imponerse.
Montoliu teme que esto juegue en contra de la CasΦ como futura herramienta de edición genética. “Biológicamente tiene sentido que sea poco específica porque así son capaces de luchar contra más fagos parecidos, pero sería un desastre [desde el punto de vista biotecnológico] donde necesitamos especifidad”.
Metagenómica a la caza de nuevas CRISPR
Fue el español Francis Mojica quien descubrió en 1993 las secuencias CRISPR, aunque por entonces su función era desconocida. Hubo que esperar hasta 2012 para que las investigadoras Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna sentaran las bases de la herramienta de corta y pega genético que hoy conocemos.
¿Y si el sistema CRISPR perfecto se encuentra en esa mayoría de microorganismos que no hemos atrapado? Es la pregunta que se hicieron equipos como el de Jennifer Doudna

Existe un número desconocido de sistemas CRISPR en la naturaleza, pero las expectativas por su potencial iniciaron una ‘fiebre del oro’ por encontrar alternativas más útiles y específicas. Pronto se hizo evidente una limitación: existen millones y millones de especies de bacterias y arqueas en nuestro planeta, y todavía más virus, pero el ser humano solo ha logrado cultivar una cantidad ínfima de esta enorme biodiversidad microbiológica.
¿Y si el sistema CRISPR perfecto se encuentra en esa mayoría de microorganismos que no hemos atrapado? Es la pregunta que se hicieron equipos como el de Jennifer Doudna. La solución se encuentra en el campo de la metagenómica: en vez de hacer cultivos tradicionales, se secuencian genomas de muestras medioambientales obtenidas en ocasiones de sitios tan recónditos como el interior de un pez de la fosa de las Marianas.
“Es como hacer diez puzles a la vez con las piezas en la mesa. Se da de comer a una máquina de secuenciación masiva y empieza a escupir datos que permite asignar qué trocito pertenece a cada puzle”, aclara Montoliu. Esto permite descubrir genomas que no se conocían porque sus ‘dueños’ nunca habían sido cultivados. Así se encontraron los Biggiephages.
“[El equipo de Doudna] no ha trabajado con el fago, sino con los metagenomas a partir de los cuales han imaginado su existencia”, dice Montoliu. “Imaginan que existe porque en una muestra ambiental han encontrado sus secuencias, que luego usan en el laboratorio”. Un virus ‘imaginario’ que robó un arma a una bacteria para enfrentarse a otros virus y que, ahora, podría servirnos como herramienta de edición genética y diagnóstico.
Referencia:
P. Pausch et al. “CRISPR-CasΦ from huge phages is a hypercompact genome editor” Science 16 de julio de 2020
Sergio Ferrer
16/7/2020 20:00 CEST