Fronteras para mentes jóvenes

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Abstracto

La lucha entre bacterias y virus es una de las más antiguas de la Tierra. Ciertos virus necesitan infectar a las bacterias para reproducirse, pero las bacterias no quieren ser infectadas. ¿Cómo hacen las bacterias que sobreviven a la infección viral para asegurarse de que no se repita? Muchos tipos de bacterias han desarrollado un proceso llamado CRISPR que les ayuda a recordar los virus que han visto antes. CRISPR también permite a las bacterias evitar que el virus las destruya. Aunque los humanos no tienen CRISPR en sus células, han descubierto algunas formas interesantes de utilizar CRISPR en el laboratorio.

Bacterias contra virus: La mayor guerra minúscula

Probablemente hayas oído hablar de las bacterias y los virus que causan las enfermedades humanas, y puede que sepas cómo los humanos luchan contra las bacterias con antibióticos y cómo prevenimos las infecciones tanto por bacterias como por virus utilizando vacunas. Pero las bacterias y los virus también han estado luchando entre sí durante mucho tiempo, y el estudio de la forma en que luchan nos ha enseñado mucho acerca de cómo los organismos cambian con el tiempo y también ha llevado al descubrimiento de una herramienta de investigación extremadamente emocionante.

Esta batalla entre las bacterias y los virus tiene que ver con la capacidad de reproducirse. Tanto las bacterias como los virus se reproducen haciendo copias idénticas de sí mismos, y las instrucciones para hacerlo se almacenan en su ADN.

Cómo descifrar el código del ADN

El ADN es una larga molécula que se construye a partir de una combinación de cuatro moléculas más pequeñas: adenina, timina, guanina y citosina (A, T, G y C para abreviar; Figura 1). Las moléculas A, T, C y G pueden unirse en muchos órdenes diferentes para formar una cadena larga. Esa combinación específica de A, T, G y C es como un código. Una hebra de ADN por sí sola no durará mucho tiempo en una célula, por lo que las hebras se emparejan según reglas específicas. Las As sólo pueden emparejarse con las Ts, y las C sólo pueden emparejarse con las G, por lo que las dos cadenas acaban siendo algo así como opuestas entre sí. Las dos hebras de una molécula de ADN son complementarias. Las dos hebras complementarias se enroscan una alrededor de la otra para formar una estructura llamada doble hélice.

Figura 1 - Estructura del ADN y cómo se hacen las proteínas a partir del ADN.
  • Figura 1 – Estructura del ADN y cómo se hacen las proteínas a partir del ADN.
  • (A) Una hebra de ADN contiene una secuencia de moléculas (A, T, C y G) en un orden determinado. Dos hebras complementarias de ADN se emparejan (la A coincide con la T y la C con la G) y se enroscan una alrededor de la otra para formar una forma llamada doble hélice. (B) Para fabricar una proteína, primero, una molécula de ADN pasa por un proceso llamado transcripción, para hacer una molécula de ARN. A continuación, la molécula de ARN utiliza la maquinaria celular para crear una proteína, un proceso conocido como traducción.

Algunas secciones del ADN, llamadas genes, contienen las instrucciones para construir proteínas (Figura 1). Las proteínas son las principales moléculas que hacen cosas en una célula. Las proteínas ayudan a convertir los alimentos en energía, mueven cosas dentro de las células y entre ellas, y ayudan a las células a comunicarse. Los productos proteicos de los genes y las tareas que realizan son la forma en que los genes dan lugar a rasgos físicos, como el color de los ojos o el pelo liso o rizado.

Sin embargo, gran parte de nuestro ADN no son realmente genes. Muchas de estas otras secciones del ADN ayudan a la célula a saber cuándo debe fabricar una determinada proteína y qué cantidad de esa proteína debe fabricar.

¿Pero qué tiene que ver el ADN con esto?

Así que, ahora que sabemos que el ADN codifica las proteínas, podemos pensar en cómo eso podría permitir a una bacteria o a un virus hacer una copia de sí mismo. Para que una bacteria se reproduzca, necesita fabricar suficientes proteínas y moléculas para otra célula, copiar su ADN para que la nueva célula tenga la información que necesita, y también necesita hacerse más grande y dividirse. Un virus, en comparación, es mucho más sencillo: sólo un poco de ADN en una capa de proteínas. Tanto las bacterias como los virus tienen instrucciones para fabricar todas las proteínas que ayudarán en todas las tareas de reproducción. Entonces, ¿por qué hay que luchar?

Nos falta una parte importante de esta historia: ¿cómo se fabrica una proteína? Sucede con la ayuda de una molécula llamada ARN. El ARN es muy parecido al ADN, pero sólo tiene una hebra. Unas proteínas especiales pueden crear (o «transcribir») versiones de ARN de los genes, que pueden ser «leídas» por la maquinaria celular que «traduce» el código de ARN y construye una proteína (Figura 1). La diferencia entre el ARN y el ADN es la siguiente: El ADN es como un manual de instrucciones, un plano o un libro de cocina. No se realizan cambios en la copia maestra, pero si alguien quiere hacer algo con estas instrucciones, se copian pequeñas porciones y se envían al lugar donde se puede fabricar el producto con los materiales adecuados. Ese es el trabajo del ARN. Es este paso intermedio del ARN el que causa problemas a los virus y a las bacterias. Las bacterias tienen las instrucciones y las herramientas para fabricar proteínas, pero los virus sólo tienen las instrucciones, no las herramientas.

La forma en que algunos virus compensan esto es secuestrando a las bacterias y utilizando sus herramientas (Figura 2). Este tipo de virus se posa y se adhiere al exterior de la bacteria e inyecta su ADN en ella. Si la bacteria no se da cuenta de que el ADN viral no es suyo, seguirá las instrucciones del ADN viral y fabricará más virus. La bacteria hará copias del ADN viral y muchas proteínas del virus y permitirá que los nuevos virus se ensamblen dentro de la bacteria. Finalmente, los nuevos virus abren la bacteria y salen a infectar más bacterias.

Figura 2 - ¿Cómo se reproduce un virus?
  • Figura 2 – ¿Cómo se reproduce un virus?
  • Paso 1: El virus se adhiere al exterior de la bacteria e inyecta su ADN en ella. Paso 2: La bacteria produce nuevo ADN y proteínas virales. Paso 3: Los nuevos virus se ensamblan dentro de la bacteria. Paso 4: Los nuevos virus salen de la bacteria para seguir infectando a otras bacterias.

La mayoría de las bacterias que son infectadas por un virus que nunca han visto mueren. Sin embargo, de vez en cuando, una bacteria no muere a causa de una infección viral. Esto puede ocurrir debido a una mutación en el ADN de esa bacteria. Las mutaciones son cambios en la secuencia de ADN de un gen, como pequeños errores, y ocurren todo el tiempo en las bacterias cuando están copiando su ADN para la siguiente generación. Algunos de esos errores matan a la bacteria, por lo que no tiene la oportunidad de transmitir la mutación a la siguiente generación. Otras mutaciones, sin embargo, pueden pasar desapercibidas… ¡hasta que la bacteria es invadida por un virus! De repente, resulta que la mutación ayuda a la bacteria a combatir el virus. Las pocas bacterias afortunadas que tienen esta útil mutación son las que sobreviven para reproducirse, y transmiten esas útiles mutaciones a su descendencia. Estos descendientes se reproducen a su vez, y finalmente la mutación útil está presente en la mayoría de las bacterias de la población. Esta introducción de una nueva versión útil de un gen en todo un grupo de bacterias es un ejemplo de evolución.

CRISPR: Defender a las bacterias recordando a los virus

En este punto, puede que se pregunte cómo es la resistencia a los virus en las bacterias, y aquí es donde entra CRISPR (Figura 3). CRISPR son las siglas de Clustered Regularly InterSpaced Palindromic Repeats. Suena muy elegante, pero en realidad es sólo una descripción de algunas regiones especiales del ADN de las bacterias. En estas regiones, hay dos tipos de secuencias de ADN que se alternan: las repeticiones y los espaciadores. Las repeticiones son el mismo conjunto de letras que se repiten una y otra vez, pero los espaciadores que hay entre ellas son todos diferentes.

Figura 3 - ¿Qué es CRISPR y cómo funciona?
  • Figura 3 – ¿Qué es CRISPR y cómo funciona?
  • (A) Estructura de CRISPR. Secciones cortas de ADN llamadas repeticiones y espaciadores están dispuestas en un patrón alternativo. Las repeticiones (aquí los diamantes negros) son todas iguales, pero los espaciadores (los rectángulos de colores) son todos diferentes. Los genes Cas también se encuentran cerca de la región CRISPR. (B) En la primera infección, una corta secuencia del ADN viral se copia para convertirse en un nuevo espaciador. El nuevo espaciador se incorpora al CRISPR. (C) En la segunda infección, la bacteria produce un ARN a partir de la región CRISPR. El ARN guía a una proteína cas hasta el ADN viral, y la proteína cas destruye el ADN viral.

Cuando los científicos encontraron por primera vez estas regiones especiales de ADN, no estaban seguros de cuál era su propósito. Pero pronto se dieron cuenta de que los espaciadores eran a menudo muy similares al ADN viral. ¿De dónde procedía este ADN viral? ¿Podría CRISPR ayudar a las bacterias a reconocer y combatir los virus?

En 2007, Rodolphe Barrangou y su laboratorio decidieron explorar esta idea (Dato curioso: ¡Barrangou trabajaba para una empresa de yogures! La fabricación de yogur requiere bacterias, y a veces esas bacterias son eliminadas por los virus. A la empresa le interesaba saber cómo se protegen las bacterias de los virus). Cuando Barrangou comparó la región CRISPR de un tipo de bacteria no resistente a los virus con la de una versión resistente a los virus de la misma especie, descubrió que la única diferencia entre ellas era que la versión resistente a los virus tenía algunos espaciadores adicionales. Decidieron hacer un experimento para averiguar de dónde procedían estos espaciadores extra.

Primero, expusieron las bacterias no resistentes a los virus hasta que las bacterias se volvieron resistentes al virus. Cuando compararon las regiones CRISPR de las bacterias recién resistentes y de las no resistentes, descubrieron que, por lo general, había de uno a cuatro espaciadores nuevos en las bacterias resistentes, y que esos nuevos espaciadores eran similares al ADN de los virus a los que las bacterias habían sido expuestas. Esto hizo pensar a los investigadores que los espaciadores podrían haber sido fabricados a partir del ADN viral.

Barrangou y su laboratorio también eliminaron e insertaron varios espaciadores que coincidían con diferentes virus. Descubrieron que cuando eliminaban un espaciador de una bacteria resistente a un virus, esa bacteria perdía su resistencia al virus correspondiente, y cuando añadían espaciadores, la bacteria era resistente al virus correspondiente, aunque nunca hubiera visto ese virus antes. Barrangou y su laboratorio llegaron a la conclusión de que los espaciadores de las regiones CRISPR proporcionan resistencia a los virus al guardar parte del ADN viral, lo que permite a la bacteria «recordarlos».

La resistencia al virus (inmunidad) surge en respuesta a la infección. Normalmente, la inmunidad no se transmite a la descendencia, pero con CRISPR, puede hacerlo, porque la inmunidad está realmente codificada en el ADN, que se transmite a través de las generaciones .

Desde que Barrangou hizo sus primeros experimentos con CRISPR, hemos averiguado mucho sobre cómo funciona CRISPR para evitar que los virus destruyan la célula. La bacteria recorta un poco del ADN viral y lo añade a una región CRISPR de su propio ADN. Si el virus vuelve, la bacteria fabrica ARN de la región de CRISPR específica para ese virus. Estas copias de ARN se emparejan con unas proteínas cas (asociadas a CRISPR). El ARN guía a la proteína cas hasta el ADN viral invasor, para que la proteína pueda destruirlo. No hay más ADN viral, no hay nuevos virus. Estas copias de ARN se emparejan con algunas proteínas cas (asociadas a CRISPR), que están hechas de genes cas.

Más allá de las bacterias: CRISPR en el laboratorio

Cuando se descubrió este mecanismo, los científicos se dieron cuenta rápidamente de que CRISPR podría tener muchos usos interesantes y emocionantes en el laboratorio . La gente se dio cuenta de que podían dar a una proteína cas la versión de ARN de cualquier trozo de ADN que quisieran que encontrara, y con la ayuda del ARN, la proteína iría allí y haría cambios en el ADN. Las proteínas cas pueden cambiar una letra, que a menudo es suficiente para hacer que el gen no funcione más, o las proteínas cas pueden eliminar un gen entero o una sección de un gen.

Esto hace que CRISPR sea una herramienta impresionante para la genética, que es el estudio de los rasgos heredados. Una de las formas en que los genetistas descubren cómo funcionan los genes es eliminándolos o inactivándolos y viendo lo que falla en el organismo. Esto se ha hecho durante muchos años, pero CRISPR nos permite hacerlo más rápido y con más precisión que nunca.

También es posible que CRISPR se utilice para corregir mutaciones dañinas que causan enfermedades en los seres humanos, pero esto plantea algunas cuestiones éticas graves. ¿Cómo vamos a decidir cuándo utilizar esta tecnología? ¿Y está bien hacer cambios genéticos que puedan ser heredados por un individuo que no haya consentido esos cambios? Todavía estamos muy lejos de CRISPR en los seres humanos, pero es importante hacer estas preguntas más pronto que tarde.

Contribuciones de los autores

MC escribió el manuscrito y generó todas las figuras. JJ supervisó el trabajo y comentó el manuscrito en todas las etapas. Ambos autores revisaron el manuscrito final.

Glosario

ADN: Ácido desoxirribonucleico, una larga molécula formada por una combinación de cuatro moléculas más pequeñas (A, C, T y G) que codifica toda la información de la célula.

Doble hélice: La forma que forma el ADN cuando las dos hebras complementarias de la molécula se emparejan y se retuercen.

Geno: Una sección del ADN que codifica una proteína.

Proteína: Clase de moléculas grandes y estructuralmente complicadas que son responsables de gran parte de la actividad celular.

ARN: Ácido ribonucleico, una molécula monocatenaria formada por As, Gs, Cs y Us. El ARN puede servir de mensajero entre el ADN y la maquinaria celular que fabrica las proteínas, pero también tiene otras funciones.

Mutación: Un cambio en la secuencia de ADN de un organismo, como la adición, el intercambio o la supresión de una A, C, T o G.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats): Nombre dado a una región especial de algunos genomas bacterianos que contiene secuencias espaciadoras y repetitivas alternadas. También es el nombre dado a un proceso por el que las bacterias se defienden de las infecciones víricas y para una tecnología de laboratorio que permite editar genes.

Genes Cas: Genes asociados a CRISPR adyacentes a los loci CRISPR de espaciadores y repeticiones. cas9 es un gen cas.

Declaración de conflicto de intereses

Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un potencial conflicto de intereses.

Salmond, G. P. C., y Fineran, P. C. 2015. Un siglo del fago: pasado, presente y futuro. Nat. Rev. Microbiol. 13:777-86. doi: 10.1038/nrmicro3564

Zimmer, C. 2015. Innovador editor de ADN nacido de las bacterias. Revista Quanta. Disponible en línea en: https://www.quantamagazine.org/crispr-natural-history-in-bacteria-20150206/ (consultado el 26 de noviembre de 2017).

Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., et al. 2007. CRISPR proporciona resistencia adquirida contra los virus en procariotas. Science 315:1709-12. doi: 10.1126/science.1138140

Barrangou, R., y Marraffini, L. A. 2014. Sistemas CRISPR-Cas: los procariotas se actualizan a la inmunidad adaptativa. Mol. Cell 54:234-44. doi: 10.1016/j.molcel.2014.03.011