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?
Dal più piccolo organismo alla creatura più grande sulla Terra, ogni essere vivente è definito dai suoi geni. Il DNA contenuto nei nostri geni è come un libretto d'istruzioni per le nostre cellule. Quattro mattoncini chiamati basi vengono legati insieme in sequenze precise, che dicono alla cellula come comportarsi e formano le fondamenta di tutti i nostri tratti distintivi. Ma grazie ai recenti progressi nei mezzi per modificare i geni, gli scienziati possono cambiare i tratti fondamentali di un organismo in tempi record. Possono creare colture resistenti alla siccità e mele che non marciscono. Potrebbero anche prevenire il diffondersi di malattie infettive e sviluppare cure per malattie genetiche. CRISPR è lo strumento più veloce, semplice ed economico per modificare i geni ed è responsabile di questa nuova fase scientifica. Ma da dove viene questo miracolo della medicina? Come funziona? Cosa può fare?
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.
Sorprendentemente, CRISPR è in realtà un processo naturale che ha funzionato a lungo come sistema immunitario batterico. Originariamente difendeva batteri unicellulari e archei da virus invasori. Il CRISPR presente in natura utilizza due componenti principali. La prima consiste in piccoli frammenti di sequenze di DNA ripetitive chiamate "brevi ripetizioni palindrome raggruppate e separate a intervalli regolari" o, semplicemente, CRISPR in inglese. La seconda sono i Cas, o proteine "CRISPR-associate", che tagliano il DNA come se fossero forbici molecolari. Quando un virus invade un batterio, le proteine Cas tagliano via un segmento del DNA del virus per attaccarlo alla regione CRISPR del batterio, raccogliendo un'istantanea chimica dell'infezione. Questi codici virali sono poi trascritti in piccoli pezzi di RNA. Questa molecola svolge molti ruoli nelle nostre cellule, ma nel caso del CRISPR, l'RNA si lega a una proteina speciale nota come Cas9. I complessi ottenuti fungono da esploratori e si agganciano a materiali genetici fluttuanti alla ricerca di una corrispondenza con il virus. Se il virus invade di nuovo, il complesso esploratore lo riconosce immediatamente, e Cas9 distrugge velocemente il DNA virale.
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.
Molti batteri hanno questo tipo di meccanismo di difesa. Ma nel 2012 gli scienziati hanno trovato il modo di dirottare il CRISPR per colpire non solo il DNA virale, ma anche il DNA di quasi tutti gli organismi. Con i giusti mezzi, questo sistema immunitario virale diventa un preciso strumento per la modifica dei geni che può alterare il DNA e modificare geni specifici
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.
tanto facilmente quanto correggere un refuso. Ecco come funziona in laboratorio: gli scienziati creano un RNA "guida" uguale al gene che vogliono modificare, e lo attaccano al Cas9. Come l'RNA nel sistema immunitario CRISPR, l'RNA guida dirige il Cas9 al gene scelto, e le forbici molecolari della proteina tagliano il DNA. Questa è la chiave del potere del CRISPR: semplicemente iniettando un Cas9 unito a un pezzetto di RNA guida personalizzato,
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.
gli scienziati possono modificare praticamente ogni gene del genoma. Una volta tagliato il DNA, la cellula cercherà di ripararlo. Di solito, le proteine note come nucleasi tagliano le estremità rotte e le riuniscono. Ma questo tipo di riparazione, chiamato "saldatura delle estremità non omologhe", è incline agli errori e può portare a basi supplementari o mancanti. Il gene che ne risulta è spesso inutilizzabile e viene spento. Comunque, se gli scienziati aggiungono una sequenza separata del DNA modello al loro cocktail di CRISPR, le proteine cellulari possono creare un processo di riparazione del DNA diverso chiamato "riparazione omologia-diretta". Questo DNA modello è usato come guida per il processo di ricostruzione, che ripara un gene difettoso o ne inserisce persino uno completamente nuovo.
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.
L'abilità di correggere gli errori del DNA implica che CRISPR potrebbe creare nuove cure per malattie legate ad errori genetici specifici, come la fibrosi cistica o l'anemia falciforme. E dato che non è limitato agli umani, le sue applicazioni sono praticamente infinite. CRISPR potrebbe sviluppare piante che producono frutti più grandi, zanzare che non trasmetteno la malaria, o persino riprogrammare cellule tumorali resistenti alle medicine. È anche un potente mezzo per studiare il genoma, che permette agli scienziati di osservare cosa succede se i geni di un organismo vengono spenti o modificati.
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.
Il CRISPR non è ancora perfetto. Le modifiche previste non vengono sempre apportate, e poiché è difficile predire gli effetti a lungo termine della modifica del CRISPR, questa tecnologia solleva un grande problema etico. Sta a noi decidere la giusta strada da prendere mentre il CRISPR lascia i batteri unicellulari per entrare in laboratori, fattorie, ospedali e organismi di tutto il mondo.