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?
가장 작은 단세포 유기체부터 지구상의 가장 큰 생물에 이르기까지 모든 생물은 그 유전자에 의해 정의됩니다. 유전자에 담겨있는 DNA는 세포를 위한 사용 설명서처럼 작용합니다. 염기라고 불리는 네 가지 구성요소가 정확한 순서로 꿰어지게 되고 세포는 이에 따라 행동하며 우리 모든 특성의 기반을 형성합니다. 그런데 최근 유전자 편집도구의 진보로 과학자들은 최단 시간 내에 유기체의 근본 특성을 바꿀 수 있습니다. 가뭄에 강한 작물을 만들어내고 갈변하지 않는 사과를 만들어 낼 수 있습니다. 전염병의 확산을 막거나 유전병 치료법을 개발할 수도 있습니다. 이러한 과학의 신물결을 일으키고 있는 유전자 편집 도구 중에 크리스퍼가 가장 빠르고, 쉽고, 비용이 쌉니다. 그런데 이 의학적 경의는 어디서 왔을까요? 어떻게 작용하는 걸까요? 그리고 어떤 능력이 있을까요?
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.
놀랍게도 사실 크리스퍼는 오랫동안 세균의 면역 체계로서 기능해 온 자연 과정입니다. 원래 단세포 세균 및 고세균이 바이러스 침입을 방어할 때 그 과정에서 발견된 자연 발생 크리스퍼에는 두 가지 주요 요소가 있습니다. 첫 번째는 짧은 DNA 반복 서열로 "균일하게 사이를 두고 반복되는 짧은 반복 서열 다발," 또는 간단하게 크리스퍼라고 부릅니다. 두 번째는 Cas인데 "크리스퍼 관련" 단백질로 이 단백질이 분자 가위처럼 DNA를 자릅니다. 바이러스가 세균에 침입하면 Cas 단백질이 바이러스의 DNA 일부를 잘라내고 세균의 크리스퍼 부분에 붙여서 감염의 화학적 정보를 포착합니다 그 후 바이러스의 유전자 정보가 짧은 RNA 조각으로 복사됩니다. 이 분자는 우리 세포 내에서 많은 역할을 수행하는데 크리스퍼의 경우 RNA가 Cas9라고 불리는 특별한 단백질에 묶입니다. 그 결과 생기는 복합물은 정찰대처럼 행동하며 부유하는 유전 물질에 달라붙어 바이러스와 일치하는지 확인합니다. 바이러스가 다시 칩입하면 정찰 복합물이 바로 인식하고 Cas9가 재빠르게 바이러스의 DNA를 파괴합니다.
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.
이런 식의 방어 기제를 가지고 있는 세균은 많습니다. 그런데 2012년에 과학자들은 크리스퍼를 사용하여 바이러스의 DNA 뿐만 아니라 거의 모든 유기체의 DNA를 표적으로 삼을 수 있는 방법을 알아냈습니다. 적절한 도구를 사용하면 본 바이러스 면역 체계는 정밀한 유전자 편집 도구가 되어 거의 오타를 고치는 것만큼 쉽게 DNA를 변경시키고 특정 유전자를 바꿀 수 있습니다.
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.
실험실에서는 이런 식으로 이루어지죠. 과학자들이 편집할 유전자에 맞춰 "지표" RNA를 설계하고 이를 Cas9에 붙입니다. 크리스퍼 면역 체계상의 바이러스 RNA처럼 이 지표 RNA에 따라 Cas9이 유전자를 표적으로 삼고 단백질 분자 가위가 DNA를 자릅니다. 이것이 크리스퍼 능력의 핵심입니다. 맞춤 지표 RNA 토막에 붙인 Cas9을 주입하기만 하면 과학자들은 사실상 유전체의 어떤 유전자라도 편집할 수 있습니다.
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.
일단 DNA가 잘리면 세포는 이를 보수하려고 합니다. 보통 핵산분해효소라고 불리는 단백질이 절단 부위를 다듬어 재결합시킵니다. 하지만 비상동재접합이라고 불리는 이런 보수 과정에서 오류가 발생할 가능성이 있고 염기가 추가되거나 누락될 수 있습니다. 그 결과 유전자가 사용불능상태가 되어 비활성화 되는 경우가 종종 있습니다. 하지만 과학자들이 별개의 견본 DNA 서열을 크리스퍼 혼합제에 추가하면 세포 단백질은 상동유도수선이라고 불리는 또 다른 DNA 보수 과정을 수행할 수 있습니다. 이 견본 DNA는 복구 과정에서 지표 청사진처럼 사용되어 결함이 있는 유전자를 보수하거나 완전히 새로운 유전자를 추가하는 것도 가능합니다.
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.
DNA 오류를 고칠 수 있다는 것은 크리스퍼로 특정 유전자 오류와 연관된 낭포성 섬유증이나 겸상적혈구빈혈과 같은 질병에 대항할 새로운 치료법을 만들어 낼 가능성이 있다는 뜻입니다. 또한 인간에게만 적용되는 것이 아니기에 응용할 수 있는 분야가 거의 무궁무진합니다. 크리스퍼를 사용하여 더 큰 과실을 맺는 식물이나 말라리아를 전염시킬 수 없는 모기를 만들 수도있고 심지어 약물이 듣지않는 암세포의 프로그램을 다시 짤 수도 있습니다. 또한 유전체 연구를 위한 효과적인 도구이기도 해서 과학자들이 유기체 안에서 유전자가 비활성화 되거나 변경됐을 때 어떤 일이 벌어지는지 관찰할 수 있습니다.
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.
크리스퍼는 아직 완벽하지 않습니다. 항상 의도된 결과만 발생하는 것은 아니며 크리스퍼 편집의 장기적인 영향을 예측하는 것이 어렵기 때문에 본 기술은 심각한 윤리적 의문을 불러옵니다. 여기서 최선의 진로가 무엇인지 우리가 결정해야합니다. 크리스퍼는 단세포 유기체를 뒤로하고 전세계 실험실, 농장, 병원, 그리고 유기체로 향하고 있습니다.