من أصغر كائنٍ وحيد الخليّة إلى أكبر المخلوقات على وجه الأرض، فإنّ كل كائن حيّ يُعرّف بمورثاّته. يعمل الحمض النوّويّ الموجود في مورّثاتنا كمرجع التعليمات لخلايانا. هناك أربع وحدات بناء تدعى قواعد تنتظم مع بعضها البعض في سلاسل دقيقة، والتي ترشد الخليّة إلى كيفية التصرّف كما وأنّها تشكّل الأساس الذي تقوم عليه كلّ صفة وراثيّة. لكن ومع آخر التطورات في التعديل على الجينات، يستطيع العلماء تغيير مواصفاتٍ أساسيّةٍ في الكائنات الحيّة خلال وقتٍ قياسيّ. فهم يستطيعون الحصول على محاصيل مقاومة للجفاف، أو الحصول على تفاحات غير قابلة للتأكسد. وهم يستطيعون أيضًا منع انتشار الأوبئة، وتطوير علاجات ضدّ الأمراض الوراثيّة. يُعتبر كريسبر أسرع، وأسهل، وأرخص أداة تُستخدم في التعديل على الجينات وهو مسؤول عن هذه الموجة العلميّة الجديدة. ولكن من أين جاءت هذه المعجزة الدوائيّة؟ كيف تعمل؟ وماذا تستطيع أن تفعل؟
From the smallest single-celled organism to the largest creatures on earth, every living thing is defined by its genes. The DNA contained in our genes acts like an instruction manual for our cells. Four building blocks called bases are strung together in precise sequences, which tell the cell how to behave and form the basis for our every trait. But with recent advancements in gene editing tools, scientists can change an organism’s fundamental features in record time. They can engineer drought-resistant crops and create apples that don’t brown. They might even prevent the spread of infectious outbreaks and develop cures for genetic diseases. CRISPR is the fastest, easiest, and cheapest of the gene editing tools responsible for this new wave of science. But where did this medical marvel come from? How does it work? And what can it do?
مما يثير للدهشة، أنّ كريسبر هو فعليًّا عمليّة طبيعيّة والذي عمل لوقتٍ طويلٍ كجهازٍ مناعيٍّ بكتيريّ. فقد وُجِد في الأصل أنّه يدافع عن وحيدات الخليّة البكتيريّة والعتيقة ضدَّ ما يهاجمها من فيروسات، يستخدم كريسبر الموجود في الطبيعة مكونين أساسيّين. الأوّل هو عبارة عن قطع قصيرة من سلاسل متكرّرة من الحمض النوّويّ والتي تُدعى "التكرارات العنقوديّة المتناظرة القصيرة منتظمة التباعد،" أو ببساطة، كريسبر. أمّا الثاني فهو كاس، أو "البروتينات المقترنة بكريسبر" والتي تقوم بقصّ الحمض النوّويّ كمِقصّات جزيئيّة. عندما يقوم فيروسٌ بمهاجمة خليّةٍ بكتيريْة، تقوم بروتينات كاس بقصِّ قطعةٍ من الحمض النوّويّ الفيروسيّ لإدراجه في منطقة كريسبر في الخليّة البكتيريّة، من أجل التقاط صورة كيميائيّة عن التعفّن. تُنسَخ هذه الشيفرات الفيروسيّة على شكل قطع قصيرة من الحمض النووّي الريبوزي. يلعب هذا الجزيء عدّة أدوار في خلايانا، ولكن في حالة كريسبر، فإنّ الحمض النوّويّ الريبوزيّ يرتبط مع بروتين خاص يُدعَى كاس 9. تعمل المركبات الناتجة ككشّافات، فتقوم بالتقاط المواد الوراثيّة السابحة في الخليّة لتبحث لها عن نظير في المادة الوراثيّة الخاصّة بالفيروس. فإذا قام الفيروس بالمهاجمة من جديد ستتعرّف المركبات الكشّافة عليه مباشرةً، وتقوم بروتينات كاس 9 بتدمير حمض النوّويّ الفيروسيّ.
Surprisingly, CRISPR is actually a natural process that’s long functioned as a bacterial immune system. Originally found defending single-celled bacteria and archaea against invading viruses, naturally occurring CRISPR uses two main components. The first are short snippets of repetitive DNA sequences called “clustered regularly interspaced short palindromic repeats,” or simply, CRISPRs. The second are Cas, or “CRISPR-associated” proteins which chop up DNA like molecular scissors. When a virus invades a bacterium, Cas proteins cut out a segment of the viral DNA to stitch into the bacterium’s CRISPR region, capturing a chemical snapshot of the infection. Those viral codes are then copied into short pieces of RNA. This molecule plays many roles in our cells, but in the case of CRISPR, RNA binds to a special protein called Cas9. The resulting complexes act like scouts, latching onto free-floating genetic material and searching for a match to the virus. If the virus invades again, the scout complex recognizes it immediately, and Cas9 swiftly destroys the viral DNA.
تمتلك الكثير من البكتيريا هذا النوع من آليّات الدفاع. ولكن في سنة 2012، اكتشف العلماء كيفيّة الحصول على كريسبر ليس فقط لمهاجمة الحمض النوّويّ الفيروسيّ، ولكن لاستهداف أيّ حمضٍ نوّويّ في أيّ كائنٍ حيٍّ تقريبًا. بالأدوات المناسبة، يصبح هذا الجهاز المناعيّ الفيروسيّ أداةً دقيقةً للتعديل على المورّثات، والتي تستطيع التعديل على الحمض النووي وإجراء تغييرات على مورثات معيّنة ويتمّ ذلك بسهولة تصحيح الخطأ الإملائيّ.
Lots of bacteria have this type of defense mechanism. But in 2012, scientists figured out how to hijack CRISPR to target not just viral DNA, but any DNA in almost any organism. With the right tools, this viral immune system becomes a precise gene-editing tool, which can alter DNA and change specific genes almost as easily as fixing a typo.
هكذا تكون كيفيّة عمله في المختبر: يقوم العلماء بتصميم حمض نوّويّ ريبوزيّ "دليل" نظير للمورّثة المراد التعديل عليها، وربطه بالبروتين كاس 9. مثل الحمض النوّوي الريبوزيّ الفيروسيّ في جهاز كريسبر المناعيّ، يرشد الحمض النوّويّ الريبوزيّ الدليل بروتين كاس 9 إلى المورّثة المستهدفة، وتقوم مقصّات البروتين الجزيئيّة بقصّ الحمض النوّويّ. وهذا هو المفتاح لقدرة كريسبر: عن طريق حقن بروتين كاس 9 المرتبط بقطعة قصيرة من الحمض النوّويّ الريبوزيّ المرشد يستطيع العلماء عمليًّا التعديل على أيّ مورّثة في الجينوم البشريّ.
Here’s how it works in the lab: scientists design a “guide” RNA to match the gene they want to edit, and attach it to Cas9. Like the viral RNA in the CRISPR immune system, the guide RNA directs Cas9 to the target gene, and the protein’s molecular scissors snip the DNA. This is the key to CRISPR’s power: just by injecting Cas9 bound to a short piece of custom guide RNA scientists can edit practically any gene in the genome.
بمجرّد أن يُقَصّ الحمض النوّويّ، ستحاول الخليّة إصلاحه. إجمالًا، فإنّ البروتينات المدعوّة بالنيوكلاز تقوم بقصّ النهايات المتكسّرة ولصقها مع بعضها البعض من جديد. لكن هذا النوع من عمليّات الإصلاح، والذي يُدعى بربط النهايات غير المتجانس، يُعتبَر عرضةً للأخطاء وقد يؤدّي إلى فقدان أو زيادة في القواعد. وبالغالب فإنّ الموّرثة الناتجة قد لا تُستخدم أو قد تُطفَئ. لكن، إذا استطاع العلماء إضافة سلسلة جديدة منفصلة من قالب الحمض النوّويّ إلى خليط كريسبر، ستستطيع البروتينات الخلويّة القيام بعمليّة مختلفة لإصلاح الحمض النوّويّ، تُدعى تناظر الإصلاح الموجَّه. يُستخدم قالب الحمض النوّويّ كمخطط لإرشاد عمليّة إعادة البناء، أو تصحيح المورّثات المشوبة، أو حتّى إدخال مورّثة جديدة كليًّا.
Once the DNA is cut, the cell will try to repair it. Typically, proteins called nucleases trim the broken ends and join them back together. But this type of repair process, called nonhomologous end joining, is prone to mistakes and can lead to extra or missing bases. The resulting gene is often unusable and turned off. However, if scientists add a separate sequence of template DNA to their CRISPR cocktail, cellular proteins can perform a different DNA repair process, called homology directed repair. This template DNA is used as a blueprint to guide the rebuilding process, repairing a defective gene or even inserting a completely new one.
إنّ القدرة على تصحيح أخطاء الحمض النوّويّ تعني أنّه قد يكون بإمكان كريسبر استحداث معالجات جديدة للأمراض الناجمة عن أخطاء وراثيّة معيّنة، مثل التليّف الكيسي وفقر الدمّ المنجليّ. وبما أنّه لا يقتصر على البشر فحسب، فإنّ تطبيقاته لا تُعدّ ولا تُحصى. قد يستطيع كريسبر إنتاج نباتات تعطي محصولًا وافرًا من الثمار، أو بعوضاتٍ غير قادرةٍ على نقل الملاريا، أوحتى إعادة برمجة الخلايا السرطانيّة المقاومة للأدوية. وهو أداة قويّة لدراسة الجينات، حيث يسمح للعلماء مشاهدة ما يحصل عندما تُطفئ المورّثات أو تتغيّر داخل الكائن الحيّ.
The ability to fix DNA errors means that CRISPR could potentially create new treatments for diseases linked to specific genetic errors, like cystic fibrosis or sickle cell anemia. And since it’s not limited to humans, the applications are almost endless. CRISPR could create plants that yield larger fruit, mosquitoes that can’t transmit malaria, or even reprogram drug-resistant cancer cells. It’s also a powerful tool for studying the genome, allowing scientists to watch what happens when genes are turned off or changed within an organism.
إلّا أنّ كريسبر ليس مثاليًّا بعد. فهو لا يقوم دائمًا بالتعديلات المطلوبة فقط، وبما أنّه من الصعب التنبؤ بنتائج التعديل طويلة الأمد الذي يقوم به كريسبر، فإنّ هذه التقنيّة تثير تساؤلات أخلاقيّة كبيرة. لذا فالأمر يعود لنا لنقرّر أفضل مسار للمضيّ قدمًا حيث يتجّه كريسبر من الكائنات وحيدات الخليّة إلى المختبرات، والمزارع، والمستشفيات، وكائنات أخرى حيّة حول العالم.
CRISPR isn’t perfect yet. It doesn’t always make just the intended changes, and since it’s difficult to predict the long-term implications of a CRISPR edit, this technology raises big ethical questions. It’s up to us to decide the best course forward as CRISPR leaves single-celled organisms behind and heads into labs, farms, hospitals, and organisms around the world.