En un estudio de prueba de concepto, científicos de Stanford utilizaron el sistema de edición genética conocido como CRISPR-Cas9 para modificar los genes de corales marinos, lo que sugiere que la herramienta podría algún día permitir el desarrollo de corales tolerantes a altas temperaturas ayudando a los esfuerzos de conservación y evitar su desaparición por los efectos del cambio climático.
Los arrecifes de coral al borde del colapso pueden recibir un impulso de conservación gracias a la herramienta de edición genética conocida como CRISPR, según investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford y sus colaboradores.
Los científicos encontraron, por lo que parece ser la primera vez, una evidencia definitiva de que la herramienta de edición de genes CRISPR-Cas9 podría ser un recurso potente para los biólogos coralinos. Phillip Cleves, PhD, un erudito postdoctoral en Stanford, es un genetista cuyos esfuerzos para delinear la función de los genes en los animales reside directamente dentro del reino de los invertebrados marinos, es decir, los corales.
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«Hasta ahora, no ha habido una manera de ver si un gen cuya expresión se correlaciona con la supervivencia de los corales en realidad juega un papel causal», dijo Cleves. «No ha habido ningún método para modificar genes en el coral y luego ver cuáles son las consecuencias».
El estudio se publicará en línea el 23 de abril en Proceedings of the National Academy of Sciences. Cleves es el autor principal. John Pringle, profesor de genética en Stanford, y Mikhail Matz, PhD, profesor asociado de biología integrativa en la Universidad de Texas-Austin, comparten la autoría principal.
El daño del blanqueamiento de corales
A finales de la década de 1990, los arrecifes de coral del océano experimentaron la primera gran ola de algo llamado blanqueamiento de corales, un evento sombrío en el que las condiciones oceánicas (más prominentemente temperaturas altas) matan o «blanquean» partes del arrecife, eliminando sus colores vibrantes y dañando todo el ecosistema del arrecife.
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El trabajo de Cleves, llevado a cabo en colaboración con investigadores de UT-Austin y el Instituto Australiano de Ciencias Marinas, surgió de una conversación en una reunión internacional de corales que tenía como objetivo comprender de manera concreta los genes que sustentan la supervivencia de los corales. ¿Hay algunos genes que hacen que los corales sean más resistentes a los peaks de las temperaturas oceánicas? ¿O tal vez un gen que ayuda a establecer nuevas colonias de coral? Los científicos habían formulado la hipótesis de las respuestas a estas preguntas, pero para saberlo de verdad, Cleves quería crear una técnica que permitiera a los biólogos de coral responder a tales preguntas de forma más rigurosa.
«Queremos utilizar CRISPR-Cas9 con el interés expreso de comenzar a entender qué genes son críticos para la biología del coral», dijo Cleves.
CRISPR es una herramienta rápida y efectiva que puede usarse para identificar y modificar secuencias de ADN. «Romper» los genes para revelar los efectos sobre el organismo es un concepto que ha sido el eje de décadas de biología molecular. Ahora, CRISPR está ayudando a acelerar el proceso en muchos modelos animales diferentes, pero aplicarlo a los corales (no se dejen engañar, los corales son animales, no plantas) ha demostrado ser complicado debido en parte a su reproducción poco frecuente. Y hasta que Cleves y sus colaboradores realizaron esta investigación, nunca se había informado sobre el uso de la herramienta de edición de genes en los corales.
«Esperamos que los experimentos futuros que utilizan CRISPR-Cas9 nos ayuden a desarrollar una mejor comprensión de la biología coralina básica que luego podemos aplicar para predecir, y quizás mejorar, lo que sucederá en el futuro debido a un clima cambiante», dijo Cleves.
Desove a la luz de la luna
Los corales plantean un problema cuando se trata de CRISPR debido a sus ciclos de desove. La mayoría de los corales, incluida la Acropora millepora que fue el foco del estudio, se reproducen solo una o dos veces al año, durante octubre y noviembre en la Gran Barrera de Coral, debido al aumento de la luna llena. Durante esta ventana fugaz, los corales liberan sus células sexuales en el océano. Cuando los óvulos y los espermatozoides se encuentran, forman cigotos o células individuales fertilizadas. Durante la estrecha ventana de tiempo antes de que estas células comiencen a dividirse, un investigador puede introducir CRISPR inyectando una mezcla de reactivos en estos cigotos para inducir mutaciones precisas en el ADN del coral.
Recuperar los cigotos es todo un desafío logístico, reconoció Cleves. Afortunadamente, sus colaboradores en Australia tienen la oportunidad de manejar el factor tiempo; pueden predecir cuándo ocurrirá el desove a la luz la luna en un par de días, lo que les permitirá tomar muestras de coral del arrecife para recolectar cigotos para la experimentación.
Cleves viajó a Australia para comenzar a experimentar con CRISPR, centrándose en tres genes de coral: proteína fluorescente roja, proteína fluorescente verde y factor de crecimiento de fibroblastos 1a, un gen que se cree que ayuda a regular la colonización de nuevos corales.
Usando CRISPR, los científicos hicieron un tipo de ajuste genético que silenció (desactivó) los genes, haciéndolos incapaces de funcionar. En el caso de las proteínas fluorescentes rojas y verdes, determinar si CRISPR funcionó sería fácil, como ver cómo se apagan las luces. O eso esperaban. Sin embargo, resulta que hay múltiples copias de genes de proteínas fluorescentes rojas y verdes. Así que silenciar o noquear una copia no detuvo el brillo por completo.
«Aunque no estamos seguros de que hayamos visto una pérdida convincente de fluorescencia, la secuenciación del ADN nos mostró que podíamos apuntar molecularmente a los genes de la proteína fluorescente roja y verde», dijo Cleves. Esto demostró a los investigadores que, de una vez, CRISPR podría alterar con éxito múltiples genes si los dos fueran lo suficientemente similares: una bendición para la manipulación genética, ya que los genes a menudo se duplican durante la evolución.
En cuanto al tercer gen, el factor 1a de crecimiento de fibroblastos, que solo tiene una copia génica, la secuenciación posterior a CRISPR mostró éxito: en algunos embriones, el gen estaba mutado en gran medida, lo que sugiere que CRISPR funcionará bien para modificar genes de coral de copia única.
Cleves dijo que el objetivo final no es diseñar un súper coral genéticamente resistente que pueda poblar el océano; tal hazaña es actualmente inverosímil y plantearía importantes cuestiones éticas. «En este momento, lo que realmente queremos hacer es descubrir los mecanismos básicos de cómo funciona el coral y usarlo para informar los esfuerzos de conservación en el futuro», dijo. «Tal vez existan variantes genéticas naturales en el coral que refuercen su capacidad de sobrevivir en aguas más cálidas; nos gustaría saberlo».
‘Un momento de manos a la obra’
Aunque el trabajo actual es un estudio de prueba de concepto, ahora Cleves y otros están empezando a jugar con genes que son más pertinentes desde el punto de vista ecológico. Y él espera que otros hagan lo mismo.
«Quiero que este estudio proporcione un anteproyecto de los tipos de manipulaciones genéticas que los científicos pueden comenzar a hacer con los corales», dijo Cleves. En los próximos años, espera ver a otros grupos silenciando los genes de coral potencialmente implicados en el blanqueamiento, el crecimiento esquelético o la simbiosis crítica con las algas que proporcionan la mayor parte de la energía de los corales.
En la actualidad, hasta el 27% del ecosistema arrecifal global se ha perdido debido a una combinación de cambio climático y actividades humanas, y Cleves siente la urgencia.
«Este es un momento de poner manos a la obra», dijo. «Si podemos comenzar a clasificar qué genes son importantes, entonces podemos tener una idea de lo que podemos hacer para ayudar a la conservación, o incluso solo para predecir lo que va a suceder en el futuro. Y creo que eso hace que este sea un momento realmente emocionante para ser un biólogo básico mirando la genética del coral «.