Vom kleinsten einzelligen Organismus bis zur größten Kreatur auf Erden wird jedes lebende Subjekt von seinen Genen bestimmt. Die DNS in unseren Genen ist wie eine Gebrauchsanweisung für unsere Zellen. Vier Bausteine, genannt Basen, sind zu Sequenzen verknüpft, die der Zelle mitteilen, wie sie sich verhalten soll, und die Basis jeder unserer Eigenschaften bilden. Aber dank der aktuellen Fortschritte bei Genbearbeitungswerkzeugen können Forscher grundlegende Eigenschaften eines Organismus in Rekordzeit verändern. Sie können dürreresistente Getreide entwickeln und Äpfel erschaffen, die nicht braun werden. Vielleicht könnten sie sogar die Ausbreitung von Infektionen verhindern und Heilmittel für genetisch bedingte Krankheiten entwickeln. CRISPR ist das schnellste, einfachste und günstigste der Gen-Editierwerkzeuge, die für diese neue Welle der Forschung verantwortlich sind. Aber woher stammt dieses medizinische Wunder? Wie funktioniert es? Und was kann es?
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?
Überraschenderweise handelt es sich bei CRISPR um einen natürlichen Prozess, der schon lange als bakterielles Immunsystem fungiert. Ursprünglich entdeckt, wie es einzellige Bakterien und Archaeen gegen eindringende Viren verteidigte, nutzt natürlich auftretendes CRISPR zwei Hauptkomponenten. Die erste sind kurze Ausschnitte sich wiederholender DNS-Sequenzen, genannt „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“ oder einfach CRISPRs. Die zweite sind Cas oder auch „CRISPR-assoziierte“ Proteine, die DNS auftrennen wie molekulare Scheren. Wenn ein Virus in ein Bakterium eindringt, schneiden Cas-Proteine ein Segment der viralen DNS heraus, um es in die CRISPR-Region des Bakteriums einzunähen und einen chemischen Schnappschuss der Infektion aufzunehmen. Diese viralen Codes werden dann in kleine Stücke RNS kopiert. Dieses Molekül spielt viele Rollen innerhalb unserer Zellen, aber im Fall von CRISPR bindet die RNS ein Protein namens Cas9. Die daraus entstehenden Komplexe verhalten sich wie Kundschafter, die sich mit freischwebendem genetischen Material verknüpfen und nach einem Gegenstück zu dem Virus suchen. Wenn das Virus nochmal eindringt, erkennt der Kundschafter-Komplex es sofort und Cas9 zerstört die virale DNS umgehend.
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.
Viele Bakterien besitzen diese Art von Verteidigungsmechanismus. Aber 2012 fanden Forscher heraus, wie man CRISPR kapert, um nicht nur virale DNS, sondern die DNS beinah jedes Organismus ins Visier zu nehmen. Mit den richtigen Hilfsmitteln wird dieses virale Immunsystem zu einem präzisen Genbearbeitungswerkzeug, das DNS und bestimmte Gene beinah so einfach verändern kann, als korrigiere es Tippfehler.
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.
So funktioniert das im Labor: Forscher entwickeln eine "Führungs"-RNS, die zu dem zu verändernden Gen passt, und binden sie an Cas9. Wie die virale RNS im CRISPR-Immunsystem leitet die Führungs-RNS Cas9 zum Ziel-Gen und die molekularen Scheren des Proteins durchtrennen die DNS. Das ist der Schlüssel zu CRISPRs Macht: Indem sie einfach Cas9 injizieren, das an ein kurzes Stück maßgefertigter Führungs-RNS gebunden ist, können Forscher quasi jedes Gen des Genoms verändern.
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. Once the DNA is cut,
Ist die DNS einmal durchtrennt, versucht die Zelle, sie zu reparieren. Üblicherweise trimmen Proteine namens Nukleasen die kaputten Enden und fügen sie wieder zusammen. Diese Art von Reparaturprozess, genannt nicht-homologe Endverknüpfung, ist allerdings fehleranfällig und kann zu überflüssigen oder fehlenden Basen führen. Das daraus resultierende Gen ist oft unbrauchbar und wird ausgeschaltet. Wenn Forscher ihrem CRISPR-Cocktail jedoch eine separate Sequenz Vorlagen-DNS hinzufügen, können die Zellproteine einen anderen DNS-Reparaturprozess durchführen, der sich homologiegesteuert nennt. Die Vorlagen-DNS dient als Blaupause, um den Reparaturprozess zu steuern und ein defektes Gen zu reparieren oder sogar ein ganz neues einzufügen.
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. The ability to fix DNA errors
Die Fähigkeit, DNS-Fehler zu beheben, bedeutet, dass CRISPR potentiell neue Behandlungsmethoden für Krankheiten schaffen kann, die mit genetischen Fehlern zusammenhängen, etwa zystische Fibrose oder Sichelzellanämie. Und da dieser Prozess nicht auf Menschen beschränkt ist, sind die Möglichkeiten der Anwendung nahezu endlos. CRISPR könnte Pflanzen erschaffen, die größere Früchte tragen, Moskitos, die keine Malaria übertragen, oder sogar medikamenten-resistente Krebszellen umprogrammieren. Es ist auch ein machtvolles Werkzeug, um das Genom zu erforschen, indem es Forschern erlaubt zu beobachten, was passiert, wenn Gene ausgeschaltet oder in einem Organismus verändert werden.
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. CRISPR isn’t perfect yet.
CRISPR ist noch nicht vollkommen. Es führt nicht immer die beabsichtigten Änderungen aus Und da es schwer ist, die Langzeitfolgen einer CRISPR-Veränderung vorherzusagen wirft diese Technologie bedeutende ethische Fragen auf. Es ist an uns, den besten Weg voran zu bestimmen während CRISPR Einzeller hinter sich lässt und in Laboren, Gewerben, Krankenhäusern und Organismen auf der ganzen Welt Einzug hält.
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.