A l’“A Fons” d’aquest mes parlem de dues noves eines CRISPR d’edició genètica procedents de les profunditats de l’oceà.
Un equip de l’Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC), en col·laboració amb l’Institut de Recerca Biomèdica de Bellvitge (IDIBELL), ha sol·licitat la patent de dues noves “tisores d’edició genètica” amb característiques úniques i diferencials respecte al sistema CRISPR-Cas9 més utilitzat, procedent de Streptococcus pyogenes, que es fa servir arreu per introduir, eliminar o modificar gens de manera precisa.
L’any 2010, l’expedició Malaspina va circumnavegar el planeta a bord del vaixell oceanogràfic Hespérides per estudiar, durant gairebé un any, l’impacte del canvi global sobre ell mar i explorar-ne la biodiversitat, especialment la de les profunditats. Com a resultat, van obtenir una sòlida base de dades genètiques microbianes que, encara avui, amaga seqüències genètiques d’interès per a la biomedicina i la biotecnologia, com els sistemes d’edició genètica CRISPR-Cas9, que han revolucionat la ciència d’aquest segle per la seva capacitat d’eliminar, editar o introduir nous gens en organismes.
Les “tisores” més emprades als laboratoris d’arreu del món, SpCas9, es van descobrir en el microorganisme Streptococcus pyogenes, un bacteri patogen en humans i que prefereix temperatures mitjanes. Per ampliar la caixa d’eines amb sistemes d’edició genètica que treballin a altres temperatures o editin altres tipus de gens, cal explorar ambients diferents buscant els microorganismes que les porten. Així és com un equip de l’ICM-CSIC, juntament amb un consorci multidisciplinari, ha desenvolupat dues noves eines, les patents de les quals ja estan en tràmit. Les van trobar en una base de dades genètiques pròpia, única i ara pública, procedents de les mostres de l’oceà profund de l’expedició Malaspina. Cadascuna consta d’una proteïna Cas9 i el seu ARN associat, que és l’encarregat de guiar la proteïna cap al lloc de l’ADN que ha d’editar.
La microbiòloga del grup d’Ecologia de Microorganismes Marins de l’ICM-CSIC, Silvia G. Acinas, coordinadora de l’anàlisi genètica de les mostres de l’expedició, ha liderat la recerca per trobar les seqüències d’aquestes noves “tisores d’edició genètica”:
“Per ampliar la varietat de sistemes CRISPR-Cas9 és imprescindible buscar en ambients diferents on puguin haver desenvolupat característiques diferenciadores. Les nostres dues Cas9, que procedeixen de l’oceà profund, tenen propietats biofísiques diferents que poden facilitar noves aplicacions. Per exemple, una és capaç de tallar a temperatures baixes de manera molt precisa”, explica la investigadora.
Són molts els articles científics que descriuen nous sistemes CRISPR-Cas9 procedents de bases de dades metagenòmiques, és a dir, grans quantitats d’informació genètica de les comunitats microbianes presents en mostres ambientalsrecollides en sòls, aigües i fins i tot a l’aire. Per trobar-los, s’inverteixen milions en spin-offs i empreses biotecnològiques com Mammoth Biosciences, de Jennifer Doudna, guardonada amb el Premi Nobel de Química el 2020 per utilitzar el sistema SpCas9 en edició gènica juntament amb Emmanuelle Charpentier. Tanmateix, fins ara ningú havia explorat una base de dades de l’oceà profund tan completa. A més, no tots els sistemes CRISPR-Cas9 que es troben acaben proporcionant eines biotecnològiques.
Dues noves eines CRISPR
Fins ara, d’aquesta base de dades havien sorgit desenes d’articles sobre biodiversitat microbiana. No obstant això, ara aquest repositori ha proporcionat dues eines d’edició genètica innovadores, la DO1 i la DO2 (DO de Deep Ocean), de les quals també és coinventor, juntament amb Acinas, Julián Cerón Madrigal, investigador de l’IDIBELL.
“Al laboratori les anomenem Astèrix i Obèlix perquè són molt eficients a l’hora de tallar ADN”, explica l’investigador referint-se als famosos personatges de còmic que combatien els romans. “A més, funcionen bé a temperatures més fredes que l’SpCas9 canònic, ampliant així el rang de condicions en què poden treballar aquestes eines als laboratoris”, revela l’expert. Pel gran potencial de transferència d’aquest projecte, han rebut les ajudes CERCA GINJOL Patents Fund i BlueNetVal 2025 per apropar aquestes eines al mercat.
“Astèrix és més petita que SpCas9 i, per tant, més manejable en biotecnologia, mentre que Obèlix, més gran, té una seqüència de reconeixement PAM que identifica el gen a tallar i que equival a la de SpCas9. Gràcies a això, podem utilitzar la nostra Cas9 com a alternativa per editar en les mateixes regions d’ADN que usa SpCas9”, explica Cerón. No obstant això, l’expert subratlla que “no es tracta de substituir SpCas9, que seguirà sent útil, sinó d’ampliar l’actual caixa d’eines d’edició genètica amb noves variants com les nostres”. Per conèixer millor tot el seu potencial, ara estudien els índexs off-target, és a dir, la taxa de tall fora del gen diana, ja que les noves Cas9 de l’oceà profund semblen ser més específiques que SpCas9.
L’èxit de la recerca multidisciplinària
Per Acinas, si han arribat tan lluny en el desenvolupament d'aquestes dues noves tisores d'edició genètica és gràcies a l'equip multidisciplinari que hi ha al darrere. A l'ICM-CSIC, els investigadors Pablo Sánchez i Felipe H. Countinho van fer l'anàlisi bioinformàtica de la base de dades metagenòmiques que, bàsicament, consisteix a analitzar milions de gens fins a trobar els que interessen per després avaluar-ne el funcionament.
"Primer, busquem les seqüències més semblants a la proteïna Cas9 del sistema canònic. D'aquesta submostra, ens quedem amb les menys semblants a SpCas9, les més noves, i enviem al laboratori les més prometedores per confirmar si tallaven l'ADN com havíem predit", explica Pablo Sánchez.
Paral·lelament, Francesco Colizzi, també de l'ICM-CSIC, va estudiar l'estructura i dinàmica de les dues Cas9 amb eines d'intel·ligència artificial com l'exitosa AlphaFold, reconeguda amb el premi Nobel de Química atorgat als seus creadors el 2024, que permet fer modelatge informàtic 3D i estudiar la interacció entre molècules.
“Aquestes proteïnes tenen propietats estructurals similars a les conegudes Cas9 tot i tenir una seqüència força diferent”, explica l'expert sobre la seva contribució. No obstant això, va caldre la col·laboració externa per arribar a caracteritzar els dos sistemes, és a dir, comprovar experimentalment quines seqüències tallen o el nivell d'especificitat en diferents organismes model.
Acinas explica que això va ser possible gràcies al finançament d'un Projecte d'R+D+i per a la realització de proves de concepte que l'Agència Estatal de Recerca li va concedir el 2021, que va permetre formar el consorci d'experts DeepCas. En aquest sentit, l'experta destaca el valor de les validacions fetes a diversos organismes, des de plantes fins a peixos, passant per microorganismes i cèl·lules humanes in vitro. Els centres que formen part del consorci són IDIBELL, Institut de Biologia Molecular i Cel·lular de Plantes (IBMCP), Centre Andalús de Biologia del Desenvolupament (CABD), centre GENYO de Granada, Universitat de Múrcia, Granada i Copenhaguen.
El suport especial de Francis Mojica
La col·laboració científica va tenir un paper fonamental des dels primers compassos del projecte, que també ha involucrat un dels “pares” dels sistemes CRISPR. Per decidir en què centrar-se, d'entre tots els que havien trobat, van comptar amb el suport de Francis Mojica, la persona que el 2001 va encunyar el terme CRISPR per les sigles en anglès de “repeticions palindròmiques curtes agrupades i regularment interespaiades” i un dels primers a identificar aquest sistema i relacionar-ho amb la immunitat.
"Francis té una visió global immensa i coneix la majoria dels investigadors que treballen a CRISPR-Cas, i per això ha estat meravellós comptar amb el seu assessorament i amb el seu entusiasme quan descobrim aquests nous CRISPR-Cas9 de l'oceà profund", admet Acinas, que celebra la seva amistat d'anys i la participació de Mojica. La carrera de la investigadora s'ha forjat en expedicions de grans equips amb perfils molt diversos: “En aquests anys m'he adonat que la investigació, quan passa a una dimensió una mica més interessant, és quan es fa de manera multidisciplinària”, conclou Acinas.