Olfato molecular y diagnóstico con CRISPR

CRISPR-Cas es una de las tecnologías más usadas en la edición genética. Esta herramienta es una adaptación de una especie de "sistema inmune", o de defensa de algunas bacterias frente a otros microorganismos. Estas capturan fragmentos de ADN de los virus que las infectan y los usan para crear repeticiones de pedacitos de este material, que reciben el nombre de "repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas" (CRISPR, por sus siglas en inglés), mismas que incorporan en su genoma (Hilli & Charpentier, 2016).

Dichas secuencias de ADN permiten que las bacterias “recuerden” a los virus si los atacan de nuevo. A partir de este sistema se sintetiza un fragmento de ARN, que funciona como una guía molecular, la cual dirigirá a una enzima o catalizador biológico conocida como Cas. Esta última corta el ADN intruso de los virus (Wong, Liu, & Wang, 2015). Una forma sencilla de describir este sistema es que actúa como si fuese unas tijeras moleculares “teledirigidas” que podían ser programables al modificar su guía.

Los investigadores no tardaron en ver su aplicabilidad en la edición genética, es decir, la posibilidad de modificar el código genético de los seres vivos con el fin de obtener resultados específicos, ya sea para la modificación de organismos con fines de remediación de suelos contaminados, modificación de características deseables en plantas, o incluso, tratamientos para enfermedades congénitas.

¿Cuál es el procedimiento general para hacerlo? Para ello, los científicos diseñan una secuencia de ARN guía que se complementa con la secuencia de ADN que se desea editar. Posteriormente introducen a la enzima Cas9 (la más usada), la cual corta la doble cadena del ADN en la secuencia especifica. La rotura de la doble cadena se repara por medio del metabolismo de la célula en donde se aprovecha para introducir o eliminar secuencias de ADN (Hilli & Charpentier, 2016). A pesar de que CRISPR se ha vinculado principalmente a la edición genética, esta herramienta ha servido para desempeñar otro tipo de aplicaciones, como las que se detallan a continuación.

Un primer tipo de aplicación diferente a la de edición genética, es la detección de ADN y/o ARN, como por ejemplo, para el diagnóstico de enfermedades humanas o de patógenos agrícolas sin la necesidad de equipos sofisticados ni personal especializado para la interpretación de resultados. Una de las plataformas más conocidas en detección de ácidos nucleicos mediante el uso de CRISPR es SHERLOCK. La cual, de forma general, emplea dos proteínas parecidas a Cas9 denominadas Cas12 y Cas13 para detectar ADN y ARN respectivamente (Labun, y otros, 2019). Con la adición de un ARN guía, ambas proteínas tienen la cualidad de reconocer una determinada secuencia de interés para cortarla. Cuando esto sucede se enciende una actividad nucleasa no específica (Abudayyeh, 2016), esto quiere decir que Cas12 y 13 cortarán cualquier ácido nucleico que se encuentre cerca, propiedad que carece la enzima Cas9. Esta última propiedad es utilizada para poder realizar detección de moléculas mediante sistemas CRISPR.

En esta plataforma se diseñan y añaden pequeños fragmentos de ADN que poseen en un extremo un fluoróforo, o compuesto que genera fluorescencia, y en el otro un apagador. En el caso de haber una secuencia complementaria al ARN guía, la proteína Cas activa su función de nucleasa (tijera de ácidos nucleicos) de forma inespecífica y cortará los fragmentos de ADN modificados haciendo que el fluoróforo se separe de su apagador y emita una señal de fluorescencia (Kellner, Koob, Gootenberg, Abudayyeh, & Zhang, 2019). De no haber la secuencia complementaria, ninguna fluorescencia sería emitida. El uso de esta plataforma se está implementando en el diagnóstico de muchos patógenos, incluyendo al patógeno de interés actual: SARS CoV-2 (Joung, y otros, 2020).

Francisco Mojica, Emmanuelle Charpentier (Premio Nobel Química 2020) y Jennifer Doudna (Premio Nobel Química 2020)

Ahora bien, CRISPR también ha servido como herramienta para la creación de un “olfato molecular”. El sistema para poder detectar moléculas de distinta naturaleza se llama CaT-SMELOR. Este usa un elemento adicional a los componentes ya expuestos en SHERLOCK: proteínas que tienen la capacidad de unirse al ADN llamadas factores de transcripción. Los factores de transcripción usados en CaT-SMELOR tienen la cualidad de reaccionar con una determinada molécula ocasionando que pierda su afinidad por el ADN. Una vez suelto del factor de transcripción, el ADN se libera de la molécula y puede reaccionar con la proteína Cas12 y desencadenar el resto de las reacciones ya detalladas en SHERLOCK. En el sistema SMELOR, los diferentes factores de transcripción serán los que definen qué molécula se quiere detectar más no el ARN guía. Este sistema ya se ha probado en diferentes moléculas como el ácido úrico diluido en agua e incluso en sangre. SMELOR se presenta como un sistema que puede ser aplicado en la detección de contaminantes, diagnóstico de enfermedades, calidad de alimentos, entre otros (Liang, y otros, 2019).

Cuando CRISPR fue descubierto, por el científico español Francisco Mojica, en la Universidad de Alicante, a partir de sus estudios en microorganismos que resistían las temperaturas elevadas de fuentes termales, su potencial en la edición genética fue explotado, especialmente gracias al trabajo de Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna, quienes recibieron por ello el Premio Nobel de Química el día de hoy (7 de octubre, 2020). El sistema presentó una forma de modificar casi cualquier organismo y ha sido conocido principalmente por este papel. Sin embargo, CRISPR-Cas ha demostrado ser una herramienta versátil que puede ir más allá de la edición genética y expandirse a muchos otros campos.

Fuentes consultadas:

Abudayyeh, O. (2016). C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector. Science, 353.

Hilli, F., & Charpentier, E. (2016). CRISPR-Cas: biology, mechanisms and relevance. Phil. Trans. R. Soc., 1-12. doi:DOI: 10.1098/rstb.2015.0496

Joung, J., Ladha, A., Saito, M., Segel, M., Bruneau, R., Huang, M. W., . . . Zhang, F. (2020). Point-of-care testing for COVID-19 using SHERLOCK diagnostics. medRxiv.Preprint. doi: 10.1101/2020.05.04.20091231

Kellner, M., Koob, J., Gootenberg, J., Abudayyeh, O., & Zhang, F. (2019). SHERLOCK: nucleic acid detection with CRISPR. Nature Protocols. doi:https://doi.org/10.1038/s41596-019-0210-2

Labun, K., Montague, T., Krause, M., Torres-Cleuren, Y., Tjeldnes, H., & Valen, E. (2019). CHOPCHOP v3: expanding the CRISPR web toolbox beyond genome editing. Nucleic Acids Research, 171-174. doi:https://doi.org/10.1093/nar/gkz365

Liang, M., Li, Z., Wang, W., Liu, J., Liu, L., Zhu, G., . . . Wang, K. (2019). A CRISPR-Cas12a-derived biosensing platform for. Nature Communications. doi:https://doi.org/10.1038/s41467-019-11648-1

Wong, N., Liu, W., & Wang, X. (2015). Characteristics of functionalguide RNAs for the CRISPR/Cas9 system. Genome biology. doi:DOI: 10.1186/s13059-015-0784-0

Imágenes: Adobe Stock; BioRender; Imagen Final Francisco Mojica, Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna, Ilustración: Diana Mollocana

SilicoChem: circulación económica a través de la biotecnología

Hola, mi nombre es Brandon Jaramillo tengo 24 años, soy biólogo y soy el CRO (Chief Research Officer) de SilicoChem (www.silico-chem.com), donde me encargo del desarrollo de estrategias de biología sintética con aplicaciones comerciales. Desde el comienzo de mi vida universitaria siempre me apasionó la modificación genética de organismos para poder aplicarlos a procesos industriales y desarrollar nuevos productos con potencial de mercado.

Los campos teórico-prácticos que permiten poder hacer esto son la Biotecnología y la Biología Sintética. Es por ello que mi tesis de grado fue enfocada en realizar ingeniería metabólica para la producción industrial de químicos de alto valor agregado como el ácido linoleico conjugado (CLA), utilizando fábricas celulares basadas en cepas de levaduras. La ventaja de utilizar la ingeniería metabólica es que nos permite analizar y modificar las rutas metabólicas de los organismos, lo cual ayuda a la optimización de procesos biológicos. Los resultados obtenidos fueron muy positivos y de esta manera junto a Roger Romero y Aminael Sánchez, nos propusimos desarrollar un bioemprendimiento.

Para ello la UTPL nos brindó su apoyo facilitándonos el uso de sus instalaciones y dándonos capital semilla lo que nos permitió desarrollar el primer prototipo. El proyecto lo realizamos en un laboratorio para el prototipado de productos biotecnológicos, el cual tiene todos los equipos para trabajar a escala piloto. Una vez que empezamos el desarrollo del primer prototipo nos enfocamos en una parte muy importante que todo emprendimiento debe tener, el asesoramiento para desarrollar un buen modelo de negocios. Para ello fuimos aceptados en un programa de incubación de 32 semanas ofertado por el Centro de Innovación y Emprendimiento Prendho-UTPL. Este Centro nos brindó guía, capacitación y mentoría en temas empresariales, de esta manera pudimos enfocar el conocimiento científico que teníamos y dirigirlo a una mentalidad orientada a los negocios. Después de muchos años de investigación, sabemos que los recién llegados (empresas emergentes de biotecnología competidoras directas) probablemente provengan de instituciones de investigación, pero siempre existe una brecha entre el conocimiento científico y el éxito en el mercado. La mayor parte de la investigación permanece como investigación. Con nuestro equipo multidisciplinario, abarcamos tanto la experiencia en investigación como una mentalidad orientada a los negocios. Esto explica por qué hemos incorporado la sostenibilidad, la economía circular y la eficiencia operativa desde el principio en la etapa de investigación.

SilicoChem utiliza la innovación biotecnológica, mediante la construcción de fábricas celulares a base de levaduras ingenierizadas, para adicionar valor a desechos agroindustriales mediante la producción de químicos de alto impacto en la salud y nutrición humana y animal (ácidos grasos y proteínas). Un pilar importante de la visión de SilicoChem es la democratización del acceso a suplementos nutricionales para llevar nutrición de calidad y bienestar a millones de personas en el mundo. Esto gracias a una reducción significativa en los costos de obtención de ácidos grasos del tipo omega de fuentes proteicas alternativas. Siendo así abordaremos oportunidades para la mayoría, para aquellos que actualmente no tienen acceso a una nutrición de calidad porque viven en condiciones de pobreza.

Este proyecto está alineado con los Objetivos del Desarrollo Sostenible de la ONU, ya que busca disminuir el impacto negativo sobre el medio ambiente. Los ácidos grasos a producir se pueden obtener en ciertos cultivos y especies marinas, pero para obtener cantidades comerciales, se debe producir un volumen alto, lo que obliga a consumir recursos importantes que luego se degradan. Tal es el caso de la producción de soya o de la explotación de peces en el mar. Es evidente que estas prácticas de producción masiva y de extractivismo generan un deterioro importante del medio ambiente. El proyecto establece protocolos de producción de estos ácidos grasos que disminuyen sensiblemente este deterioro.

Nuestra innovación tecnológica crea un flujo de economía circular unido a la industria de la caña de azúcar: el uso de melaza de caña de azúcar como la única fuente de carbono en el medio de cultivo celular para la multiplicación de biomasa de levadura permite tener bajos costos de producción. El medio de cultivo celular es el impulsor de costos más significativo en la mayoría de las aplicaciones de biotecnología, otras compañías en el negocio podrían estar mirando en la dirección equivocada. El aprovechamiento de la melaza de caña resuelve además los problemas ambientales que traen su almacenamiento o descarte en las condiciones actuales.

SilicoChem ha sido reconocido tanto a nivel nacional como internacional. En el año 2019 ganamos el premio de "Innovadores menores de 35 MIT" en el cual Roger Romero fue seleccionado como parte de la lista de innovadores entre 2000 participantes de 22 países. SilicoChem fue publicado como parte de las startups más destacadas de Latam por MIT Technology Review. El director de estudios de posgrado de la Escuela de Biotecnología y Alimentos del Instituto de Tecnología y Estudios Superiores de Monterrey (México), Jorge Welti, miembro del jurado de Innovadores menores de 35 América Latina 2019, considera que "la idea básica del proyecto es correcto y que el ejercicio académico de simulación computacional es interesante y adecuado ".

Este año SilicoChem forma parte del ranking de los Premios Latinoamérica Verde 2020, ocupando el puesto número 92 de los 500 mejores proyectos sociales y ambientales de América Latina, con una nota de 80/100. Además, forma parte del top 10 en la categoría “Producción y Consumo Responsable” de estos premios. Destacando entre un total de 2540 proyectos inscritos en esta edición.

Hace poco tiempo se lanzó la iniciativa Reinventa Ecuador la cual recibió más de 750 postulaciones, siendo SilicoChem una de las dos ideas más destacadas en el “Reto 5 mil millones”. Reinventa Ecuador es una iniciativa que fue presentada el pasado 15 de junio por la Alianza para el Emprendimiento e Innovación (AEI) y Naciones Unidas Ecuador. Nació con el objetivo de impulsar la economía del país y generar empleos formales, invitando a la ciudadanía a participar con sus propias propuestas para atraer y generar 5 mil millones de dólares, trabajar en soluciones para el Emprendimiento y la Innovación, fortalecer los encadenamientos productivos, mejorar la calidad de vida de la población y obtener un impacto sostenible.

Recientemente junto a la UTPL hemos presentado la solicitud de una patente PCT relacionada con nuestra tecnología de producción de CLA empleando una levadura ingenierizada.

Actualmente la biotecnología enfrenta varios retos tales como: económicos, técnicos, la sociedad y de mercado. A pesar de estos retos el éxito del proyecto SilicoChem resonará en la palestra política ecuatoriana como un caso de éxito en el ámbito de la biotecnología y la Bioeconomía. Su difusión logrará una mayor concientización en los tomadores de decisión respecto a las potencialidades de aprovechamiento de la biodiversidad ecuatoriana en aplicaciones de alto valor agregado.

*Imágenes: UTPL, Provistas y autorizadas por Brandon Jaramillo

Minorías étnicas vulnerables en la actual pandemia por su limitado acceso a la salud

Para explicar sobre el limitado acceso a la atención médica de las minorías étnicas es necesario primero establecer sus implicaciones. A pesar de que sea un concepto que no goza de una sola definición (ONU, 2018), se tratará a una minoría étnica como un grupo racial o étnico dentro de un estado que cumpla con uno o varios de los siguientes criterios: numéricamente más pequeño que el resto de la población; no se encuentra en una posición dominante; posee cultura, religión o lengua diferente a la del grupo mayoritario (ONU Human Rights, 1992). En el Ecuador, los grupos considerados como minorías étnicas son Tsáchila, Chachi, Epera, Awa, Quichua, Shuar, Achuar, Shiwiar, Cofán, Siona, Secoya, Zápara, Andoa, Waorani, y afroecuatorianos (MRG, 2018).

Las minorías étnicas han percibido una falta de acceso a servicios básicos, tasas de enfermedad más alta y acceso deficiente a atención médica (ONU, 2020). Durante la pandemia del COVID-19 esta situación ha sido evidente en conjunto con la brecha socioeconómica ya existente.

Las comunidades indígenas y otras minorías han sido ignoradas en gran parte como un efecto de la colonización y la discriminación (ONU, 2018). Es por ello que se ha determinado que las comunidades indígenas, las personas en estado de pobreza y aquellas ubicadas en zonas rurales, sufren de inequidad en el ámbito de la salud (Lopez-Cevallos et al., 2001).

El acceso limitado a los servicios de salud puede darse debido a las barreras de comunicación y lenguaje, diferencias culturales y discriminación histórica. Una de las barreras que tienen las minorías étnicas es la brecha educativa, ya que poseen tasas más bajas de culminación de colegio e ingreso a universidad (CDC, 2020). Lo que implica que la mayoría no posean la información suficiente para comprender los diagnósticos y llevar a cabo los tratamientos.

En cuanto a las diferencias culturales, la mayoría de los grupos minoritarios aplican medicina ancestral, ritos y sus creencias sobre la enfermedad (CEJIL, 2020). Las cuales no pueden ser actualizadas debido a que son excluidos de la información médica oportuna con respecto a la pandemia debido a que no se encuentra en las lenguas originarias ni se transmite por los canales disponibles en sus comunidades (CEJIL, 2020).

Con respecto a la discriminación histórica, algunas personas dentro de las minorías étnicas dudan en buscar atención médica porque desconfían de los sistemas de salud, dado que históricamente han existido desigualdades en el tratamiento e incomprensión de su cultura (CDC, 2020).

Adicionalmente, grupos indígenas y otras minorías étnicas experimentan peores secuelas de salud (Hutchins et al., 2009; Herrera et al., 2018), debido a que muchos se encuentran aislados geográficamente y por tanto no han estado expuestos a determinadas enfermedades. Lo cual supone que, al contagiarse por primera vez, su respuesta inmune sea menor y la enfermedad se complique (Márquez, 2020).

Todos estos los factores mencionados han llevado a que las minorías étnicas, además de percibir un alto grado de marginación socioeconómica, tengan un mayor riesgo en las emergencias de salud pública, volviéndolos aún más vulnerables durante esta pandemia (ONU, 2020).

Debido a lo expuesto se recomienda a los sistemas de salud trabajar con las comunidades para reducir las barreras culturales de la atención médica fomentando los servicios de interpretación médica en la comunidad e incluyendo el respeto a sus prácticas y creencias que pueden servir para controlar las enfermedades (AMA, 2020). Como en Otavalo, donde la atención de los partos lo realizan las parteras, quienes atienden bajo el conocimiento de su experiencia que ha sido avalada por médicos (MSP, 2015). Este acercamiento entre medicina científica y la de los pueblos nativos da confianza a las comunidades.

Adicionalmente, los estados deben garantizar que se genere la información médica adecuada que esté de acuerdo con el entorno físico, social y cultural de las minorías étnicas (CEJIL, 2020).

Fuentes consultadas:

AMA. (2020). COVID-19 FAQs: Health equity in a pandemic. Retrieved from https://www.ama-assn.org/delivering-care/health-equity/covid-19-faqs-health-equity-pandemic

CDC. (2020). Health Equity Considerations & Racial & Ethnic Minority Groups. Retrieved from https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/community/health-equity/race-ethnicity.html

CEJIL. (2020). COVID 19: La supervivencia de los pueblos indígenas está en riesgo. Retrieved from https://cejil.org/es/covid-19-supervivencia-pueblos-indigenas-riesgo

Herrera, D., Hutchins, F., Gaus, D., & Troya, C. (2018). Intercultural health in Ecuador: an asymmetrical and. Anthropology & Medicine. doi: 10.1080/13648470.2018.1507102

Howeel, J. (2017). Race and U.S. medical experimentation: the case of Tuskegee. Retrieved from https://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0102-311X2017001300301

Hutchins, S., Fiscella, K., Levine, R., Ompad, D., & McDonald, M. (2009). Protection of Racial/Ethnic Minority Populations During an Influenza Pandemic. Am J Public Health. doi:10.2105/AJPH.2009.161505

Lopez-Cevallos, D., & Chi, C. (2012). Inequity in health care utilization in Ecuador: an analysis of current issues and potential solutions. Int J Equity Health.

Márquez, W. (2020, abril 14). Coronavirus: la amenaza del covid-19 para los pueblos indígenas (y qué epidemias han devastado a los de América Latina). BBC. Retrieved from https://www.bbc.com/mundo/noticias-52199977

MRG. (2018). World Directory of Minorities and Indigenous Peoples. Retrieved from minorityrights.org: https://minorityrights.org/country/ecuador/#:~:text=Minority%20and%20indigenous%20groups%20include,Ecuadorians%20(7.2%20per%20cent).

ONU. (2018). Indigenous peoples and ethnic minorities: marginalization is the norm. In Promoting Inclusion through Social Protection (pp. 97-108). Retrieved from https://www.un.org/development/desa/dspd/wp-content/uploads/sites/22/2018/07/Chapter-VIIIndigenous-peoples-and-ethnic-minorities.pdf

ONU. (2020). COVID-19 and Indigenous peoples. Retrieved from https://www.un.org/development/desa/indigenouspeoples/covid-19.html

ONU Human Rights. (1992). Declaration on the Rights of Persons Belonging to National or Ethnic, Religious and Linguistic Minorities.

Puertas, B., & Schlesser, M. (2001). Assessing community health among indigenous populations in Ecuador with a participatory approach: implications for health reform Journal of Community Health, 26(2).

*Imágenes: Adobe Stock