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?
Do organismo unicelular máis pequeno ás criaturas máis grandes do mundo, cada ser vivo está definido polos seus xenes. O DNA contido nos nosos xenes actúa como un manual de instrucións para as nosas células. Catro bloques de construción, as bases, están unidos en secuencias precisas que lle din á célula como comportarse formando a base de todos os nosos trazos. Pero cos avances recentes das ferramentas de edición xénica, os científicos poden cambiar as características fundamentais dun organismo nun tempo récord. Poden deseñar cultivos resistentes á seca e crear mazás que non podrezan. Incluso poderían previr a propagación de brotes infecciosos e desenvolver curas para enfermidades xenéticas. CRISPR é a ferramenta de edición xénica máis rápida, sinxela e barata, responsable desta nova corrente científica. Pero de onde xurdiu está marabilla médica? Como 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.
E que pode facer? Sorprendentemente, o CRISPR é, en realidade, un proceso natural que funcionou durante moito tempo como un sistema inmunolóxico bacteriano. Atopado orixinalmente como defensa de bacterias unicelulares e arqueas contra virus invasores, o CRISPR natural usa dous compoñentes principais. Os primeiros son fragmentos curtos de secuencias de DNA repetitivas chamadas repeticións palindrómicas curtas agrupadas regularmente intercaladas ou CRISPR (polas siglas en inglés). As segundas son as Cas ou proteínas asociadas a CRISPR que cortan o DNA como tesoiras moleculares. Cando un virus invade unha bacteria, As proteínas Cas cortan un segmento de DNA viral para coselo na rexión CRISPR da bacteria, capturando unha instantánea química da infección. Eses códigos virais cópianse en segmentos curtos de RNA. Esta molécula cumpre moitas funcións nas nosas células, pero no caso do CRISPR, o RNA únese a unha proteína especial chamada Cas9. Os complexos resultantes actúan como exploradores, uníndose a material xenético libre e buscando unha coincidencia co virus. Se o virus volve invadir, o complexo explorador recoñéceo de inmediato
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.
e Cas9 destrúe rápidamente o DNA viral Moitas bacterias teñen este tipo de mecanismo defensivo. Pero en 2012, os científicos descubriron como secuestrar o CRISPR para dirixilo non só a DNA viral, senón a calquera DNA en case calquera organismo. Coas ferramentas apropiadas este sistema inmunolóxico viral convértese nunha ferramenta precisa de edición xénica, que pode alterar o DNA e cambiar xenes específicos coa mesma facilidade con que amañamos un erro 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 é como funciona no laboratorio: os científicos deseñan un RNA guía para que coincida co xene por editar e unilo a Cas9. Igual que o RNA viral no sistema inmune CRISPR, o RNA guía dirixe Cas9 cara ao xene diana, e as tesoiras moleculares da proteína cortan o DNA. Esta é a chave do poder do CRISPR: só con inxectar Cas9 unido a un fragmento curto de RNA guía personalizado os científicos poden editar practicamente calquera xene do xenoma.
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.
Logo de cortado o DNA, a célula tentará reparalo. Normalmente, unhas proteínas chamadas nucleases, recortan os extremos rotos para xuntalos outra vez. Pero este tipo de reparación, chamada unión de extremos non homólogos, é propensa aos erros e pode dar lugar a bases de máis ou de menos. O xene resultante adoita ser inutilizable e silenciado. Mais, se os científicos engaden unha secuencia separada do DNA modelo ao seu cóctel CRISPR, as proteínas celulares poden realizar un proceso de reparación do DNA diferente, chamado reparación homóloga dirixida. Este padrón de DNA úsase como modelo para guiar o proceso de reconstrución, reparar un xene defectuoso ou incluso inserir un completamente novo.
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.
A capacidade de corrixir erros no DNA significa que o CRISPR poderá crear tratamentos novos para enfermidades ligadas a errores xenéticos específicos como a fibrose quística ou a anemia falciforme. Como non se limita aos humanos, as aplicacións son case infinitas. O CRISPR sería quen de crear plantas que produzan froitos maiores, mosquitos que non transmitan a malaria, ou reprogramar células canceríxenas resistentes aos medicamentos. É tamén unha ferramenta poderosa no estudo xenómico que lles permite aos científicos observar que ocurre cando os xenes se desactivan ou mudan dentro dun 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.
O CRISPR aínda non é perfecto. Non sempre fai só os cambios desexados e como as súas implicacións a longo prazo, son difíciles de prever, esta tecnoloxía comporta grandes problemas éticos. Depende de nós decidir cal é o mellor camiño, cando o CRISPR abandona os organismos unicelulares e aparece en laboratorios, granxas, hospitais e organismos arredor do mundo.