Από τον μικρότερο μονοκύτταρο οργανισμό μέχρι τα μεγαλύτερα πλάσματα της γης, κάθε έμβιο ον καθορίζεται από τα γονίδιά του. Το DNA των γονιδίων μας δρα σαν εγχειρίδιο οδηγιών για τα κύτταρά μας. Τέσσερα δομικά στοιχεία που ονομάζονται βάσεις ενώνονται σε συγκεκριμένες ακολουθίες, που λένε στο κύτταρο πώς να συμπεριφερθεί και να φτιάξει τη βάση κάθε μας χαρακτηριστικού. Αλλά με τις πρόσφατες εξελίξεις των εργαλείων επεξεργασίας γονιδίων, οι επιστήμονες μπορούν να αλλάξουν τα βασικά γνωρίσματα ενός οργανισμού σε χρόνο ρεκόρ. Μπορούν να κατασκευάσουν καλλιέργειες ανθεκτικές στην ξηρασία. και να δημιουργήσουν μήλα που δε μαυρίζουν. Μπορούν ακόμη και να αποτρέψουν την εξάπλωση μολυσματικών επιδημιών και να αναπτύξουν θεραπείες για γενετικές ασθένειες. Το CRISPR είναι το πιο γρήγορο, εύκολο και φθηνό εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων υπεύθυνο γι' αυτό το νέο κύμα της επιστήμης. Αλλά από πού προήλθε αυτό το ιατρικό θαύμα; Πώς λειτουργεί; Και τι μπορεί να κάνει;
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? Surprisingly, CRISPR is actually a natural process
Παραδόξως, το CRISPR αποτελεί μια φυσική διαδικασία που λειτουργούσε εδώ και πολύ καιρό ως βακτηριακό ανοσοποιητικό σύστημα. Αρχικά βρέθηκε να προστατεύει μονοκύτταρα βακτήρια και αρχαία εναντίον ιών-εισβολέων, Το φυσικά υπάρχον CRISPR χρησιμοποιεί δύο κύρια συστατικά. Τo πρώτo είναι σύντομα τμήματα από επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA ονόματι «σύμπλεγμα μικρών παλινδρομικών αλληλουχιών τακτικής χωροκατανομής», ή απλά, CRISPRs Το δεύτερο είναι οι Cas, ή αλλιώς «CRISPR-συνδεόμενες» πρωτεΐνες οι οποίες κόβουν το DNA σαν μοριακά ψαλίδια. Όταν ένας ιός εισβάλλει σε ένα βακτήριο, οι πρωτεΐνες Cas κόβουν ένα τμήμα του ιικού DNA για να το συρράψουν στη βακτηριακή CRISPR περιοχή, καταγράφοντας ένα χημικό στιγμιότυπο της λοίμωξης. Αυτοί οι ιικοί κώδικες αντιγράφονται σε μικρά κομμάτια RNA. Αυτό το μόριο παίζει πολλούς ρόλους στα κύτταρά μας, αλλά στην περίπτωση του CRISPR, το RNA δένεται σε μια ιδιαίτερη πρωτεΐνη που ονομάζεται Cas9. Τα προκύπτοντα σύμπλοκα δρουν σαν ανιχνευτές, που προσκολλώνται στο αιώρημα γενετικού υλικού και αναζητούν μια αντιστοίχιση με τον ιό. Αν ο ιός ξαναεισβάλλει, το σύμπλοκο ανιχνευτών τον αναγνωρίζει αμέσως, και η Cas9 καταστρέφει γρήγορα το ιικό DNA.
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. Lots of bacteria have this type of defense mechanism.
Πολλά βακτήρια έχουν τέτοιο μηχανισμό άμυνας. Αλλά το 2012, οι επιστήμονες κατάλαβαν πώς να κλέψουν το CRISPR ώστε να στοχοποιήσουν όχι μόνο ιικό DNA, αλλά κάθε DNA σχεδόν κάθε οργανισμού. Με τα σωστά εργαλεία, αυτό το ιικό ανοσολογικό σύστημα γίνεται ένα ακριβές εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας που μπορεί να τροποποιήσει το DNA και ν' αλλάξει συγκεκριμένα γονίδια σχεδόν το ίδιο εύκολα με τη διόρθωση ενός τυπογραφικού λάθους.
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. Here’s how it works in the lab:
Να πώς λειτουργεί μες στο εργαστήριο: οι επιστήμονες σχεδιάζουν έναν «οδηγό» RNA αντίστοιχο με το γονίδιο που θέλουν να επεξεργαστούν, και το επισυνάπτουν στη Cas9. Όπως το ιικό RNA στο ανοσολογικό σύστημα CRISPR, ο οδηγός RNA κατευθύνει τη Cas9 στο γονίδιο στόχο, και το μοριακό ψαλίδι της πρωτεΐνης κόβει το DNA. Αυτό είναι το κλειδί της δύναμης του CRISPR: απλώς προσθέτοντας Cas9 η οποία είναι δεσμευμένη σε βραχύ κομμάτι προσαρμοσμένου οδηγού RNA οι επιστήμονες μπορούν να επεξεργαστούν πρακτικά κάθε γονίδιο του γονιδιώματος.
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,
Μόλις το DNA κοπεί, το κύτταρο θα προσπαθήσει να το επιδιορθώσει. Κατά κανόνα, πρωτεΐνες που ονομάζονται νουκλεάσες περικόπτουν τα σπασμένα άκρα και τα ξανασυνδέουν. Αλλά αυτή η διαδικασία διόρθωσης, ένωση μη ομόλογων άκρων, είναι επιρρεπής σε λάθη και μπορεί να οδηγήσει σε επιπλέον ή χαμένες βάσεις, Το προκύπτον γονίδιο είναι συχνά μη χρησιμοποιήσιμο κι ανενεργό. Ωστόσο, εάν οι επιστήμονες προσθέσουν μια ξεχωριστή ακολουθία δείγματος DNA στο CRISPR κοκτέιλ τους, οι κυτταρικές πρωτεΐνες μπορούν να εκτελέσουν μια διαφορετική διαδικασία επισκευής DNA, που ονομάζεται επισκευή κατευθυνόμενη με ομολογία. Το δείγμα DNA χρησιμοποιείται ως προσχέδιο καθοδήγησης της διαδικασίας αναδόμησης, επιδιορθώνοντας ένα ελαττωματικό γονίδιο ή ακόμα και εισάγοντας ένα εντελώς καινούριο.
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
Η ικανότητα διόρθωσης λαθών του DNA σημαίνει ότι το CRISPR θα μπορούσε ενδεχομένως να δημιουργήσει νέες θεραπείες για ασθένειες που συνδέονται με συγκεκριμένα γενετικά λάθη, όπως η κυστική ίνωση ή η δρεπανοκυτταρική αναιμία. Κι αφού δε περιορίζεται στους ανθρώπους, οι εφαρμογές είναι σχεδόν ατελείωτες. Το CRISPR θα μπορούσε να δημιουργήσει φυτά που παράγουν μεγαλύτερα φρούτα, κουνούπια που δε μπορούν να μεταδώσουν ελονοσία, ή να αναπρογραμματίσει καρκινικά κύτταρα που είναι ανθεκτικά στα φάρμακα. Είναι επίσης ένα ισχυρό εργαλείο μελέτης του γονιδιώματος, επιτρέποντας στους επιστήμονες να παρατηρούν τι συμβαίνει όταν τα γονίδια είναι απενεργοποιημένα ή τροποποιημένα σε έναν οργανισμό.
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.
Το CRISPR δεν είναι ακόμα τέλειο. Δεν κάνει πάντα μόνο τις προβλεπόμενες αλλαγές, κι επειδή είναι δύσκολο να προβλέψουμε τις μακροπρόθεσμες επιπτώσεις μιας επεξεργασίας CRISPR, αυτή η τεχνολογία εγείρει μεγάλα ηθικά ερωτήματα. Εναπόκειται σε εμάς να αποφασίσουμε την καλύτερη πορεία καθώς το CRISPR αφήνει τους μονοκύτταρους οργανισμούς πίσω και κατευθύνεται σε εργαστήρια, αγροκτήματα, νοσοκομεία, και οργανισμούς σε όλο τον κόσμο.
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.