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?
מהאורגניזם החד תאי הקטן ביותר ועד ליצורים הכי גדולים בכדור הארץ, כל יצור חי מוגדר על ידי הגנים שלו. ה DNA שמוכל בגנים שלנו פועל כמו ספר הוראות לתאים שלנו. ארבע אבני בניין שנקראות בסיסים מחוברות יחד בסדר מדוייק, שאומר לתא איך להתנהג ויוצר את הבסיס לכל אחת מהתכונות שלנו. אבל עם התקדמויות אחרונות בכלי עריכת גנים, מדענים יכולים לשנות את התכונות הבסיסיות של אורגניזם בזמן מהיר ביותר. הם יכולים להנדס יבולים עמידים לבצורת וליצור תפוחים שלא נעשים חומים. הם אולי אפילו יכולים למנוע הפצה של התפרצויות מחלות מדבקות ולפתח תרופות למחלות גנטיות. CRISPR הוא כלי עריכת הגנים הכי מהיר, קל וזול שאחראי לגל החדש הזה במדע. אבל מהיכן הפלא הרפואי הזה הגיע? איך הוא עובד? ומה הוא יכול לעשות?
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.
למרבה הפלא, CRISPR הוא למעשה תהליך טבעי שתפקד במשך זמן רב כמערכת חיסון בקטריאלית. הוא התגלה במקור כמגן על בקטריות בעלות תא יחיד וארכיאות נגד וירוסים פולשים. CRISPR שמתרחש באופן טבעי משתמש בשני רכיבים עיקריים. הראשון הם חלקים קטנים של רצף DNA חוזר שנקרא "חזרות פלינדרומיות מרווחות שמקובצות באופן סדיר", או בפשטות, CRISPR. השני הוא Cas, או חלבונים שמקושרים ל CRISPR שחותכים את ה DNA כמו מספרים מולקולריות. כשוירוס חודר לבקטריה, חלבוני Cas חותכים מקטע של ה DNA הויראלי כדי לתפור אותו לאזור ה CRISPR בבקטריה, לוכדים תמונה כימית של הההדבקה. הקודים הויראליים מועתקים אז לפיסות קצרות של RNA. המולקולות האלו ממלאות הרבה תפקידים בתאים שלנו, אבל במקרה של CRISPR, RNA נקשר לחלבון מיוחד שנקרא Cas9. התרכובות שנוצרות כתוצאה מכך פועלות כמו גששים, נקשרות לחומר גנטי מרחף חופשי ומחפשות התאמה לוירוס. אם הוירוס פולש שוב, תרכובת הגשש מזהה אותו מיידית, ו Cas9 משמיד במהירות את ה DNA הויראלי.
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.
להרבה בקטריות יש סוג זה של מגננון הגנה. אבל ב 2012, מדענים הבינו איך לחטוף את CRISPR כדי לטווח לא רק DNA ויראלי, אלא כל DNA כמעט בכל אורגניזם. עם הכלים הנכונים, מערכת החיסון הויראלית הופכת לכלי עריכת גנים מדוייק, שיכול לשנות DNA ולשנות גנים ספציפים כמעט באותה קלות כמו תיקון שגיאת כתיב.
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.
כך זה עובד במעבדה: מדענים מהנדסים RNA "מנחה" כדי להתאים לגנים שהם רוצים לערוך, ומחברים אותו ל Cas9. כמו ה RNA הויראלי במערכת החיסון של CRISPR, ה RNA המנחה מפנה את Cas9 לגן המטרה, ומספרי החלבונים המולקולריים חותכים את ה DNA. זה המפתח לכוחו של CRISPR: רק על ידי הזרקת Cas9 קשור לפיסה קטנה של RNA מנחה מותאם מדענים יכולים לערוך בעצם כל גן בגנום.
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.
ברגע שה DNA נחתך, התא ינסה לתקן אותו. באופן רגיל, חלבונים שנקראים נוקלאז חותכים את הקצוות החתוכים ומחברים אותם חזרה יחד. אבל סוג זה של תהליך תיקון, שנקרא חיבור קצוות לא הומולוגני, מועד לטעויות ויכול להוביל לבסיס מוחמץ או נוסף. הגן שנוצר כתוצאה מכך הרבה פעמים לא שמיש וכבוי. עם זאת, אם מדענים מוסיפים רצפים נפרדים של DNA תבניתי לקוקטייל ה CRISPR שלהם, חלבונים תאיים יכולים לבצע תהליך תיקון DNA אחר, שנקרא תיקון הומולוגני מונחה. ה DNA התבניתי הזה משמש כתוכנית אב כדי להנחות את תהליך הבניה מחדש, ומתקן גן תקול או אפילו מכניס אחד חדש לגמרי.
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.
היכולת לתקן טעויות DNA משמעה ש CRISPR יכול פוטנציאלית ליצור טיפולים חדשים למחלות שמקושרות לטעויות גנטיות ספציפיות, כמו סיסטיק פיברוזיס או אנמיה חרמשית. ומאחר והוא לא מוגבל לאנשים, הישומים כמעט אין סופיים. CRISPR יכול ליצור צמחים שיניבו פירות גדולים יותר, יתושים שלא יכולים להעביר מלריה, או אפילו לתכנת מחדש תאי סרטן עמידים לתרופות. זה גם כלי חזק לחקר הגנום, מה שמאפשר למדענים לצפות במה שמתרחש כשגנים מכובים או משתנים בתוך האורגניזם.
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 עדיין לא מושלם. הוא לא עושה תמיד רק את השינויים הרצוים, ומאחר וקשה לצפות את ההשפעות לטווח ארוך של עריכת CRISPR , הטכנולוגיה הזו מעלה שאלות אתיות גדולות. זה תלוי בנו להחליט את הדרך הכי טובה קדימה כש CRISPR משאיר אורגניזמים חד תאיים מאחור ונכנס למעבדות, חוות, בתי חולים, ואורגניזמים מסביב לעולם.