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?
Del organismo unicelular más pequeño. a las criaturas más grandes de la tierra, Todo ser vivo está definido por sus genes. El ADN contenido en nuestros genes actúa como un manual de instrucciones para nuestras células. Cuatro bloques de construcción llamados bases están unidos en secuencias precisas, que dicen a la célula como comportarse y forman la base de cada uno de nuestros rasgos. Pero con los recientes avances en herramientas de edición de genes, los científicos pueden cambiar las características fundamentales de un organismo en un tiempo récord. Pueden diseñar cultivos resistentes a la sequía y crear manzanas que no se marchiten. Incluso podrían prevenir la propagación de brotes infecciosos y desarrollar curas para enfermedades genéticas. CRISPR es la herramienta de edición de genes más rápida, fácil y barata, responsable de esta nueva ola de la ciencia. ¿Pero de dónde vino esta maravilla médica? ¿Cómo funciona?
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.
¿Y qué puede hacer? Sorprendentemente, CRISPR es, en realidad, un proceso natural. Eso funcionó durante mucho tiempo como un sistema inmunológico bacteriano. Originalmente encontrado defendiendo bacterias unicelulares y arqueas contra los virus invasores, CRISPR de origen natural utiliza dos componentes principales. Los primeros son fragmentos cortos de secuencias de ADN repetitivas llamadas repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente intercaladas o simplemente, CRISPRs. Los segundos son cas, o proteínas asociadas a CRISPR que cortan el ADN como tijeras moleculares. Cuando un virus invade una bacteria, las proteínas cas cortan un segmento del ADN viral para coser en la región CRISPR de la bacteria, capturando una instantánea química de la infección. Esos códigos virales se copian en fragmentos cortos de ARN. Esta molécula juega muchos papeles en nuestras células, pero en el caso de CRISPR, el ARN se une a una proteína especial llamada Cas9. Los complejos resultantes actúan como exploradores, enganchando a material genético flotante y buscando una coincidencia con el virus. Si el virus invade nuevamente, el complejo scout lo reconoce
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.
inmediatamente y Cas9 destruye rápidamente el ADN viral. Muchas bacterias tienen este tipo de mecanismo de defensa. Pero en 2012, los científicos descubrieron cómo secuestrar CRISPR para apuntar no solo al ADN viral, Pero cualquier ADN en casi cualquier organismo con las herramientas adecuadas, Este sistema inmunológico viral se convierte en una herramienta precisa de edición de genes que puede alterar el ADN y cambiar genes específicos. casi tan fácil como arreglar un error tipográfico.
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.
Así es como funciona en el laboratorio: los científicos diseñan un ARN guía para que coincida con el gen que desean editar y adjuntarlo a Cas9. Al igual que el ARN viral en el sistema inmune CRISPR, la guía ARN dirige Cas9 al gen diana, y las tijeras moleculares de la proteína cortan el ADN. Esta es la clave del poder de CRISPR: con solo inyectar Cas9 unido a un fragmento corto de ARN guía personalizado los científicos pueden editar prácticamente cualquier gen en el genoma.
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.
Una vez que se corta el ADN, La célula intentará repararlo. Típicamente, las proteínas llamadas nucleasas. recortar los extremos rotos y unirlos de nuevo juntos. Pero este tipo de proceso de reparación, llamada unión final no homóloga, es propenso a errores y puede llevar a bases extra o faltantes. El gen resultante es a menudo inutilizable y apagado. Sin embargo, si los científicos agregan una secuencia separada de plantilla de ADN a su cóctel CRISPR, Las proteínas celulares pueden realizar un proceso diferente de reparación del ADN. Se llama reparación de homología dirigida. Esta plantilla de ADN se usa como modelo para guiar el proceso de reconstrucción, reparar un gen defectuoso o incluso insertando uno completamente nuevo.
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.
La capacidad de corregir errores de ADN. Significa que CRISPR podría crear nuevos tratamientos para enfermedades vinculados a errores genéticos como fibrosis quística o anemia de células falciformes. Y como no se limita a los humanos, Las aplicaciones son casi infinitas. CRISPR podría crear plantas que producen frutos más grandes, mosquitos que no pueden transmitir la malaria, o incluso reprogramar células cancerígenas resistentes a los medicamentos. También es una herramienta poderosa para estudiar el genoma, permitiendo a los científicos observar qué sucede cuando los genes se desactivan o cambian dentro de un organismo.
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.
CRISPR no es perfecto todavía. No siempre hace solo los cambios deseados y, como es difícil predecir las implicaciones a largo plazo de una edición CRISPR, esta tecnología plantea grandes cuestiones éticas. Depende de nosotros decidir el mejor curso a seguir. ya que CRISPR deja atrás organismos unicelulares y se dirige a laboratorios, granjas, hospitales y organismos de todo el mundo.