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?
Od najmanjeg jednostaničnog organizma do najvećih bića na Zemlji, svako živo biće određeno je svojim genima. DNK u našim genima ponaša se kao uputa za naše stanice. Četiri građevne jedinice, baze, međusobno su povezane u precizne nizove koje kažu stanici kako će se ponašati i stvaraju temelj svakog našeg svojstva. Zbog nedavnih napredaka u načinima uređivanja gena, znanstvenici mogu vrlo brzo promijeniti temeljna svojstva organizma. Mogu stvoriti usjeve otporne na sušu i jabuke koje ne smeđe. Mogu čak spriječiti širenje zaraznih epidemija i razviti lijekove za genetske bolesti. CRISPR je najbrži, najlakši i najjeftiniji način uređivanja gena, odgovoran za novi val znanosti. No otkud dolazi to čudo medicine? Kako funkcionira? I što može napraviti?
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.
Iznenađujuće, CRISPR je zapravo prirodan proces koji već dugo funkcionira kao imunosni sustav bakterija. Izvorno otkriven kao obrana jednostaničnih bakterija i arheja od napadajućih virusa, CRISPR koji se pojavljuje u prirodi koristi dvije glavne komponente. Prvu čine kratki isječci ponavljajućih sekvenci DNK koji se zovu grupirane pravilno razmaknute kratke ponavljajuće palindromske sekvence, ili samo CRISPR. Druga je Cas, ili proteini povezani s CRISPR-om, koji sjeckaju DNK poput molekularnih škara. Kad virus napadne bakteriju, Cas proteini izrežu dio DNK virusa i prišiju ga u CRISPR regiju bakterija, stvarajući kemijsku fotografiju infekcije. Ti virusni kodovi zatim su kopirani u kratke djeliće RNK. Ta molekula ima razne uloge u našim stanicama no u slučaju CRISPR-a, RNK se veže za poseban protein, Cas9. Rezultirajući kompleksi ponašaju se kao izviđači, hvatajući se za plutajući genetski materijal i tražeći odgovarajući par virusu. Ako virus ponovno napadne, kompleks izviđača odmah ga prepozna i Cas9 brzo uništi virusnu DNK.
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.
Puno bakterija ima ovu vrstu obrambenog mehanizma. No, 2012. godine, znanstvenici su otkrili kako preuzeti CRISPR da ne cilja samo na virusnu DNK, već bilo koju DNK bilo kojeg organizma. Uz pomoć pravih alata, ovaj virusni imunosni sustav postaje precizan način uređivanja gena koji može izmijeniti DNK i promijeniti specifične gene, lagano kao ispravljanje greške u pisanju.
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.
Evo kako funkcionira u laboratoriju: znanstvenici dizajniraju RNK "vodič" koji je par genima koje treba urediti i pričvrste ga uz Cas9. Poput virusne RNK u CRISPR imunosnom sustavu, vodeća RNK usmjerava Cas9 na ciljani gen i molekularne škare proteina odrežu DNK. To je ključ moći CRISPR-a: samo ubrizgavanjem Cas9 vezanog za kratki djelić prilagođene vodeće RNK, znanstvenici mogu urediti gotovo svaki gen u genomu.
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.
Kada je DNK izrezan, stanica će ga pokušati popraviti. Obično proteini zvani nukleaze podrežu slomljene krajeve i ponovno ih spoje. No taj proces popravljanja koji se zove nehomologno spajanje krajeva, sklon je greškama i može voditi višku ili manjku baza. Rezultirajući gen često je neiskoristiv i isključen. Unatoč tome, ako znanstvenici dodaju zasebnu sekvencu primjerka DNK u svoj CRISPR koktel, stanični proteini mogu izvesti drukčiji proces popravka DNK koji se zove homologno usmjereni popravak. Taj primjerak DNK koristi se kao nacrt koji vodi proces izgradnje, popravljajući neispravan gen ili čak umećući potpuno nov gen.
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.
Sposobnost da popravi greške u DNK znači da CRISPR ima potencijal stvoriti nove terapije za bolesti povezane sa specifičnim greškama u genima poput cistične fibroze ili srpaste anemije. Budući da nije ograničeno na ljude, primjene su gotovo beskrajne. CRISPR bi mogao stvoriti biljke koje daju veći plod, komarce koji ne prenose malariju ili čak reprogramirati stanice raka otporne na lijekove. Također je moćan alat za proučavanje genoma jer dopušta znanstvenicima da promatraju što se događa kad su geni isključeni ili promijenjeni unutar organizma.
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 još nije savršen. Ne čini uvijek ciljane promjene i budući da je teško predvidjeti dugotrajne posljedice uređivanja CRISPR-om, ova tehnologija postavlja velika etička pitanja. Na nama je da odlučimo najbolji put naprijed, dok CRISPR za sobom ostavlja jednostanične organizme i prelazi u laboratorije, na farme, u bolnice i organizme po cijelome svijetu.