Nuevos derroteros biotecnológicos: edición genética
Los organismos genéticamente modificados (OGM) que actualmente suman millones de hectáreas en el mundo y que en México han incluido algodón, soya y maíz, entre otros (Sandoval, 2017), son plantas que han sido modificadas mediante técnicas de ingeniería genética llamadas transgénesis. Esta tecnología, desarrollada para plantas en la década de los ochenta del siglo pasado, consiste en introducir nuevos ensambles genéticos (llamadas construcciones recombinantes) que se componen de diferentes fragmentos de ADN aislados originalmente de virus, bacterias u otras plantas, organizados y ensamblados de tal manera que una vez insertados en el ADN de la planta receptora, puedan expresarse –producir la proteína recombinante de interés–. Los rasgos introducidos mediante transgénesis en plantas han sido diversos y las variedades de cultivos transgénicos más sembradas a nivel mundial han sido de dos tipos: aquellas que son tolerantes a herbicidas y/o resistentes a insectos o ambas (ISAAA, 2019; https://bch.cbd.int/database/organisms/).
La técnica de transgénesis conforma una visión lineal y aditiva del genoma (conjunto de todos los genes presentes en un organismo) puesto que se asume que la construcción recombinante sólo se añadirá al repertorio genético existente, sin modificar ni su estructura ni su expresión. Estos supuestos han sido demostrados erróneos en muchos casos (Antoniou et al., 2012) y son parte de los fenómenos que han sido argumentados que deben estudiarse a profundidad por las incertidumbres técnicas, fisiológicas y ecológicas que generan (Álvarez-Buylla y Piñeyro, 2009 y 2013 [coords.]).
De manera relevante, esta tecnología y sus variantes, fue la que ha sido normada explícitamente en los diferentes instrumentos legales internacionales (Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología) y nacionales (Ley de Bioseguridad de Organismos Genéticamente Modificados) que forman parte del entramado legal de nuestro país. Sin embargo, desde la década de los 2000, se han comenzado a desarrollar nuevas técnicas de modificación genética que utilizan una serie de herramientas moleculares distintas –en conjunto muchas veces, con las desarrolladas para transgénesis– como son las “nucleasas dirigidas a sitio”. Este tipo de enzimas tienen la cualidad de poder ser reclutadas –por una proteína o un ARN guía– a un lugar específico del genoma del organismo a modificar y realizar un corte en la doble cadena de ADN.
Estas tecnologías, llamadas de “edición génica, genómica, genética o del genoma” están siendo estudiadas y aplicadas cada vez con más profundidad y frecuencia, a la vez que son muy discutidas. Las nuevas técnicas de ADN o ARN recombinante incluyen: la mutagénesis dirigida por oligonucleótidos (ODM), uso de nucleasas dirigidas a sitios específicos tales como las de “dedos de zinc” (ZFN), de nucleasas efectoras similares a activadores de la transcripción (TALEN), meganucleasas y CRISPR (“repeticiones palindrómicas cortas interespaciadas regularmente”), con CRISPR/Cas convirtiéndose en la tecnología predominante de “edición del genoma” en la actualidad; son herramientas que pueden aplicarse en ingeniería genética para diversos fines: producir organismos cisgénicos, intragénicos y transgénicos, construir genomas sintéticos, inducir la metilación del ADN dirigida por ARN (RdDM), editar el ARN y generar organismos impulsores genéticos (genes drives), entre otros.
Edición genómica y CRISPR/Cas
Las secuencias (de ADN) CRISPR y las proteínas Cas (“asociadas a CRISPR”) son los dos elementos de un antiguo sistema procariota de defensa adaptativa, conservado en los genomas bacterianos (procariota se refiere a microorganismos unicelulares constituidos por células que presentan un ADN libre en el citoplasma, sin núcleo celular). Este antiguo sistema procariota de restricción puede verse como un antecesor del sistema inmune innato intracelular de nuestras sofisticadas células eucariotas (organismos uni o pluricelulares formados, con núcleo verdadero, en los reinos de hongos, animales y plantas).
Mientras que los (elementos de ADN) CRISPR representan la memoria del sistema (un repositorio de secuencias de nucleótidos cortas y directamente repetidas flanqueadas por fragmentos de ADN únicos y cortos, y adquiridas a partir de infecciones anteriores), las proteínas Cas son los efectores reales, capaces de procesar las secuencias CRISPR en pequeños ARNs, y de fragmentar las moléculas de ADN infeccioso foráneo que se adapten perfectamente a dichos ARNs (derivados de las CRISPR). Para poder traducir un complejo sistema procariótico en una sencilla herramienta de edición del genoma in vitro, el crARN (ARN CRISPR) y otro ARN (transactivador de crARN) se fusionan, por diseño, en un pequeño ARN guía, sintético, vinculado a una secuencia de 20 nucleótidos homóloga al ADN diana (blanco) a degradar. De todas las proteínas asociadas a CRISPR, Cas9 (es la más conocida y utilizada, hay otras variantes) es el efector final, capaz de unirse al ADN – por homología de secuencias mediante el ARN guía asociado– y escindir (cortar) ambas hebras del ADN blanco.
Por esto, el sistema CRISPR-Cas se conoce a menudo como CRISPR/Cas9. La técnica mediada por estas nucleasas Cas9 programables por ARN tiene variadas y crecientes aplicaciones en biología, biomedicina y biotecnología. Estas últimas hoy se encuentran inmersas en una guerra de patentes y dos de las pioneras en ese campo son la microbióloga Emmanuelle Charpentier y la bioquímica Jennifer Doudna quienes recibieron el Premio Nobel de Química 2020. http://wwwuser.cnb.csic.es/~montoliu/CRISPR.
Las ediciones genómicas más frecuentemente aplicadas –en la investigación básica y en el denominado mejoramiento animal y vegetal– son las llamadas SDN-1 y SDN-2 (SDN por Nucleasa Dirigida a Sitio), y utilizan la tecnología CRISPR (Modrzejewski et al., 2019). Tanto CRISPR/Cas, como los ZFN, TALEN y las meganucleasas utilizan SDN para introducir un corte en el ADN, en sitios específicos. Dependiendo de si se usa o no una plantilla de reparación, estos métodos pueden inducir ya sea cambios no específicos a uno o más pares de bases (SDN-1, a través de un mecanismo no homólogo de reparación por unión de extremos, NHEJ, sin plantilla), o cambios específicos en las secuencias de nucleótidos (denominado SDN-2) mediante recombinación homóloga (HR) mediada por reparación dirigida por homología. Los cambios introducidos en o alrededor del sitio objetivo pueden ser sustituciones, deleciones o inserciones de uno o más pares de bases. Dependiendo de la aplicación específica de SDN-1 o SDN-2, son posibles cambios generales más extensos e implican, por ejemplo, multiplexación que se dirige a varios genes a la vez, o aplicaciones repetidas de SDN-1 o SDN-2 (Zetsche et al., 2017; Raitskin y Patron, 2016; Wang et al., 2016). También es posible realizar cambios que involucran la inserción de genes completos (incluido el apilamiento de genes e involucra el uso de ADN del organismo donante), y son denominados SDN-3 (Eckerstorfer et al., 2019; Lusser et al., 2012; Sander y Joung, 2014). Claramente, esta última es un tipo de transgénesis y entra dentro de la definición de OGM (ver el Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología).
Con la edición genética algunos fenotipos o características introducidos en plantas son las mismas que las obtenidas con la transgénesis como la resistencia a enfermedades o al ubicuo herbicida glifosato, a través de las mutaciones puntuales TIPS y TIPA. Otras, todavía en el terreno de las promesas (que coinciden con las que se hicieron con los OGM sin concretarse), son introducir cambios en la composición nutricional, supuestas mejoras en el rendimiento o adaptación climática y a los estresores bióticos o abióticos, y hasta alteraciones morfológicas.
En resumen, algunas características de la edición genética y sus técnicas relacionadas son 1: Permiten la generación de combinaciones genéticas que no ocurren naturalmente, por ejemplo, patrones específicos de cambios en el genoma; 2: No se basan en la biodiversidad natural y el uso del acervo genético, dado que su objetivo es lograr cambios bastante diferentes ( a los naturales) en el genoma; y 3: Son capaces de eludir los mecanismos de herencia natural y de regulación génica. Continuaremos este tema, enfocándonos en las implicaciones regulatorias y de bioseguridad de estos nuevos OGM. •