O agasallo máis importante que os nosos pais nos deron nunca
son os dous grupos de tres mil millóns de letras de ADN
que conforman o noso xenoma.
Pero coma todo aquilo con tres mil millóns de partes,
ese agasallo é fráxil.
A luz solar, fumar, unha alimentación pouco saudable,
mesmo erros espontáneos cometidos polas nosas células,
provocan cambios no noso xenoma.
A alteración máis común que se dá no ADN
é o simple cambio dunha letra ou base, por exemplo C,
por unha letra diferente, coma T, G ou A.
Cada día, as células do noso corpo acumulan de forma colectiva
miles de millóns de cambios dunha única letra, denominados "mutacións puntuais".
A maioría destas mutacións puntuais son inofensivas.
Mais de cando en cando,
unha mutación puntual pode alterar unha función importante nunha célula
ou facer que unha célula actúe de maneira nociva.
Se esta mutación a herdamos dos nosos pais
ou ocorre nunha etapa temperá do noso desenvolvemento,
acabaría resultando que moitas ou todas as nosas células
terían esta mutación prexudicial.
Pois daquela seriamos unha deses centos de millóns de persoas
cunha enfermidade xenética,
como a anemia falciforme, a proxeria,
a distrofia muscular ou a enfermidade de Tay-Sachs.
Estas graves enfermidades xenéticas causadas por mutacións puntuais
son especialmente frustrantes,
xa que moitas veces coñecemos o cambio de letra exacto
que causa a enfermidade e, en teoría, poderiamos curala.
Millóns de persoas padecen anemia falciforme
por presentaren unha mutación puntual de A a T
en ambas as copias do xene da hemoglobina.
E os nenos con proxeria nacen cun T
nunha única posición no seu xenoma
onde deberían ter un C,
con consecuencias devastadoras para estes marabillosos e brillantes nenos
que envellecen de forma moi acelerada e falecen arredor dos 14 anos.
Ao longo da historia da medicina
nunca tivemos unha forma eficiente de corrixir mutacións puntuais
en seres vivos,
como para volver cambiar ese T, causante da enfermidade, por un C.
Se cadra ata agora.
Porque no meu laboratorio hai pouco que conseguimos desenvolver esa capacidade,
que chamamos "edición de bases".
A historia de como desenvolvemos a edición de bases
remóntase a hai uns 3.000 millóns de anos.
Concibimos as bacterias coma focos de infección,
mais as propias bacterias tamén son propensas a seren infectadas,
especialmente por virus.
Así que hai uns 3.000 mil millóns de anos,
as bacterias desenvolveron un mecanismo para combater as infeccións virais.
Ese mecanismo de defensa é hoxe coñecido como CRISPR.
E a parte esencial do CRISPR é esta proteína violeta
que actúa coma unhas tesoiras moleculares, cortando o ADN
e rompendo a dobre hélice en dúas partes.
Se o CRISPR non puidese distinguir entre ADN bacteriano e viral,
non sería un sistema de defensa moi útil.
Pero a característica máis asombrosa do CRISPR
é que as tesoiras poden programarse para buscar,
unirse e cortar
unicamente unha secuencia específica do ADN.
Así, cando unha bacteria encontra un virus por primeira vez,
pode almacenar un pequeno fragmento do ADN dese virus,
para usalo despois como un programa para dirixir as tesoiras CRISPR
e cortar esa secuencia do ADN viral nunha infección futura.
Cortar o ADN do virus estraga a función do xene viral cortado,
e interrompe consecuentemente o ciclo de vida do virus.
Investigadores destacados como Emmanuelle Charpentier, George Church,
Jennifer Doudna e Feng Zhang
demostraron hai seis anos que se poden programar as tesoiras xenéticas CRISPR
para cortar secuencias de ADN seleccionadas por nós,
mesmo secuencias do noso xenoma,
no canto das secuencias de ADN viral escollidas polas bacterias.
Mais os resultados son, en efecto, similares.
Cortar as secuencias de ADN do noso xenoma
tamén afecta a función do xene cortado,
ao causar a inserción e eliminación de mesturas aleatorias de letras de ADN
no lugar do corte.
Alterar os xenes pode ser moi útil para algunhas aplicacións.
Mais para a maioría das mutacións puntuais que causan enfermidades xenéticas,
só cortar o xene xa mutado non beneficia os pacientes,
xa que hai que restaurar a función do xene mutado,
non alterala máis aínda.
Así, cortar o xene xa mutado da hemoglobina
que causa a anemia falciforme
non restaura a capacidade do paciente de xerar glóbulos vermellos sans.
E se ben en ocasións podemos introducir novas secuencias de ADN nas células
para substituír as secuencias de ADN que rodean o sitio do corte,
ese proceso, desafortunadamente, non funciona na maioría dos tipos de células,
e os efectos do xene alterado continúan predominando.
Coma moitos científicos, eu soño cun futuro
no que sexamos quen de tratar e, se cadra, mesmo curar
as enfermidades xenéticas humanas.
Pero considero que a falta dun método para arranxar as mutacións puntuais
causantes da maioría de enfermidades xenéticas
é un gran atranco que hai que superar.
Como químico, comecei a traballar co meu alumnado
para idear formas directas de experimentar quimicament nunha base individual do ADN
para arranxar, en vez de alterar, as mutacións que causan doenzas xenéticas.
O resultado do noso traballo son máquinas moleculares
chamadas "editores de bases".
Os editores de bases usan os mecanismos programables de busca das tesoiras CRISPR,
mais no canto de cortar o ADN,
converten directamente unha base noutra
sen alterar o resto do xene.
Se concibimos as proteínas naturais das CRISPR coma tesoiras moleculares,
podemos considerar os editores de bases como lapis
capaces de substituír unha letra de ADN por outra
ao reorganizar os átomos dunha base de ADN
e convertela así nunha base diferente.
Os editores de bases non existen na natureza.
De feito, creamos o primeiro editor de bases, mostrado aquí,
a partir de tres proteínas
que nin sequera proveñen do mesmo organismo.
Comezamos por coller as tesoiras CRISPR e desactivarlles a capacidade de cortar ADN
pero manténdolles a capacidade de buscar e de unirse a secuencias específicas de ADN
de forma programable.
Ás tesoiras CRISPR desactivadas, que se ven en azul,
unímoslles unha segunda proteína, en vermello,
que produce unha reacción química na base C do ADN
e a converte nunha base que se comporta coma T.
Terceiro, tivemos que unirlles ás dúas primeiras proteínas
a proteína de cor violeta
que protexe a base editada e evita que sexa eliminada pola célula.
O resultado é unha proteína artificial de tres partes
que por primeira vez nos permite converter C en T
en lugares específicos do xenoma.
Pero incluso neste punto, o noso traballo aínda estaba a medias,
xa que para poderen permanecer estables nas células,
as dúas cadeas de dobre hélice do ADN deben formar pares de bases.
E como C soamente se emparella con G
e T só se une a A,
cambiar simplemente C por T nunha cadea de ADN crea unha disparidade,
unha incongruencia entre as dúas cadeas de ADN
que a célula debe resolver decidindo que cadea substituír.
Decatámonos de que podiamos modificar máis aínda esta proteína de tres partes
para que esta marcase a cadea non editada coma a que debe ser substituída
facéndolle una pequena incisión.
Esta pequena incisión engana a célula
para que cambie o G non editado por un A
mentres refai a cadea marcada,
completando así a conversión do que era un par C-G
por un par estable T-A.
Despois de anos de duro traballo
dirixido polo antigo posdoutorado do laboratorio, Alexis Komor,
conseguimos desenvolver esta primeira clase de editor de bases
que converte C en T e G en A
en posicións específicas da nosa elección.
Entre as máis de 35.000 mutacións puntuais coñecidas asociadas a enfermidades,
os dous tipos de mutacións que este editor de bases pode reverter
corresponden, entre ambos, a cerca do 14% ou 5.000 mutacións puntuais patóxenas.
Pero para corrixir a maioría das mutacións puntuais causantes de enfermidades
necesitariamos desenvolver unha segunda clase de editor de bases
capaz de converter A en G ou T en C.
Con Nicole Gaudelli á cabeza, que foi posdoutorada do laboratorio,
dispuxémonos a desenvolver este segundo editor de bases
que, en teoría, podería corrixir case a metade das mutacións puntuais patóxenas,
mesmo a mutación que causa a enfermidade do envellecemento acelerado, a proxeria.
Descubrimos que podiamos empregar, unha vez máis,
os mecanismos de busca das tesoiras CRISPR
para dirixir o novo editor de bases cara ao lugar indicado no xenoma.
Pero rapidamente nos atopamos cun gran problema:
non se coñece ningunha proteína
que converta A en G nin T en C
no ADN.
Ao enfrontarse a un escollo tan grave,
moitos estudantes seguramente buscarían outro proxecto
e se cadra ata outro director.
(Risas)
Pero Nicole decidiu proceder cun plan
que daquela parecía extremadamente ambicioso.
Dada a inexistencia dunha proteína natural
que realizase o proceso químico necesario,
acordamos desenvolver a nosa propia proteína no laboratorio
para converter A nunha base que se comportase como G,
a partir dunha proteína que produce un proceso químico similar no ARN.
Montamos un sistema darwiniano de selección de supervivencia do máis apto
que explorou decenas de millóns de variantes proteicas
e só permitiu a supervivencia das variantes
capaces de realizar os procesos químicos necesarios.
O resultado foi unha proteína, mostrada aquí,
a primeira capaz de converter o A do ADN
nunha base que se asemella ao G.
E ao anexarmos esta proteína
ás tesoiras CRISPR deshabilitadas, mostradas en azul,
producimos o segundo editor de bases
que converte A en G
e que usa a mesma estratexia de efectuar unha incisión na cadea
que usamos co primeiro editor de bases
para enganar a célula e facer que substitúa o T non editado por un C
mentres refai esa cadea marcada,
completando así a conversión dun par A-T nun par G-C.
(Aplausos)
Grazas.
(Aplausos)
Como científico e académico nos EE.UU,
non adoito ser interrompido por aplausos.
(Risas)
Desenvolvemos estas primeiras dúas clases de editores de bases
hai tan só tres anos e un ano e medio.
Mais incluso nese breve período,
a edición de bases popularizouse entre a comunidade de investigación biomédica
Os editores de bases enviáronse máis de 6.000 veces
por petición de máis de 1.000 investigadores en todo o mundo.
Xa hai máis de cen artigos de investigación científica publicados
nos que se usan editores de bases en diferentes organismos, desde bacterias,
a plantas, ratos e primates.
Se ben os editores de bases son demasiado recentes
para formaren parte de ensaios clínicos humanos,
os científicos están a realizar avances decisivos nesa dirección
ao usaren editores de bases en animais
para corrixir mutacións puntuais que causan enfermidades xenéticas humanas.
Por exemplo,
un equipo colaborativo de científicos dirixido por Luke Koblan e Jon Levy,
outros dous estudantes do meu laboratorio,
empregaron recentemente un virus para inserir o segundo editor de bases
nun rato con proxeria,
cambiando así o T causante da enfermidade por un C
e revertendo as consecuencias a nivel do ADN, ARN e das proteínas.
Os editores de bases tamén se usaron en animais
para reverter as consecuencias da tirosinemia,
a talasemia beta, a distrofia muscular,
a fenilcetonuria, un tipo de xordeira conxénita
e un tipo de enfermidade cardiovascular.
En todos os casos, fíxose corrixindo directamente a mutación puntual
que causa ou contribúe á enfermidade.
En plantas, os editores de bases usáronse
para introducir cambios nunha letra individual do ADN
e así conseguir mellores cultivos.
E biólogos usaron editores de bases para investigar o papel das letras individuais
en xenes asociados a enfermidades coma o cancro.
Dúas empresas que cofundei, Beam Therapeutics e Pairwise Plants,
usan actualmente a edición de bases para tratar enfermidades xenéticas humanas
e para mellorar a agricultura.
Todas estas aplicacións da edición de bases
desenvolvéronse en menos de tres anos.
Na escala temporal da ciencia,
iso é un abrir e pechar de ollos.
Aínda queda moito traballo
para que a edición de bases alcance o seu máximo potencial
para mellorar a vida dos pacientes con enfermidades xenéticas.
Malia crer que moitas destas enfermidades poden tratarse
corrixindo a mutación subxacente
en polo menos unha pequena fracción das células dun órgano,
introducir máquinas moleculares coma os editores de bases
en células humanas
pode ser todo un reto.
Facer uso dos virus naturais para inserir editores de bases
no lugar das moléculas que causan o catarro
é unha das varias estratexias prometedoras
que se están a empregar con éxito.
Continuar desenvolvendo novas máquinas moleculares
que consigan realizar o resto de formas
de conversión de pares de bases,
e que minimicen as edicións non desexadas noutros lugares das células
é moi importante.
E colaborar con outros científicos, doutores, eticistas e gobernos
para garantir que a edición de bases se aplique de maneira reflexiva,
segura e ética,
continúa sendo unha obrigación elemental.
A pesar destes retos,
se me dixeran hai tan só cinco anos
que investigadores de todo o mundo
empregarían máquinas moleculares desenvolvidas en laboratorios
para converter de forma directa un par de bases
noutro par
en lugares específicos do xenoma humano
de forma eficiente e con efectos secundarios mínimos,
preguntaríalles:
"Que novela de ciencia ficción están lendo?"
Grazas a un dedicado e incansable grupo de estudantes
que foron tan creativos que puideron construír o que nós deseñamos
e tan valentes que puideron desenvolver o que nós non fomos quen,
a edición de bases comezou a transformar esa aspiración de ciencia ficción
nunha emocionante realidade,
onde o agasallo máis importante que lles pasamos aos nosos fillos
pode que non sexan só os 3.000 millóns de letras de ADN,
senón tamén os medios para protexelas e arranxalas.
Grazas.
(Aplausos)