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?
Fra den minste encellede organismen til de største skapninger på jorda – er alle er definert av genene sine. Genene våre er som en bruksanvisning for cellene i kroppen. Byggesteinene er fire baser, knyttet sammen i en bestemte rekkefølger, med beskjeder om hva cellene skal gjøre og hvilke egenskaper vi skal få. Men med nye teknikker for å redigere genene, kan forskere endre organismenes egenskaper på rekordtid. De kan lage vekster som tåler tørke, og epler som ikke blir brune. De kan forhindre utbrudd av smittsomme sykdommer og utvikle kurer mot genetiske sykdommer. CRISPR er den raskeste, letteste og billigste metoden for genredigering og har skapt et nytt tilskudd til vitenskapen. Hvor kom dette medisinske vidunderet fra? Hvordan fungerer det? Hva kan det brukes til?
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.
CRISPR er faktisk en naturlig prosess som stammer fra immun- forsvaret til bakterier. Når bakterier og erkebakterier forsvarer seg mot virusangrep, bruker naturlig forekommende CRISPR to hoveddeler. De første er små biter av gjentakende DNA-sekvenser kalt “clustered regularly interspaced short palindromic repeats,” eller CRISPR. De andre er Cas, en type RNA-molekyler som klipper opp DNA. Når et virus trenger inn i en bakterie, klipper Cas-proteinet ut en bit av virus-DNAet og limer det inn i CRISPR- området til bakterien noe som gir en kjemisk øyeblikksbilde av infeksjonen. Disse virusoppskriftene blir kopiert over til små RNA-biter. RNA spiller en viktig rolle i mange av cellene våre, når det gjelder CRISPR, binder RNA seg til et spesielt protein som heter Cas9. Disse kompleksene virker som speidere, og fester seg til fritt DNA og leter etter virus med likt DNA Om viruset angriper på nytt, vil speider- komplekset kjenne det igjen umiddelbart, og Cas9 ødelegger virus-DNAet.
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.
Mange bakterier har denne forsvarsmekanismen. I 2012 klarte fant forskere ut hvordan de kunne tjuvkoble CRISPR slik at det ikke bare kunne finne virus-DNA men et hvilket som helst DNA i en hvilken som helst organisme. Med de rette verktøyene blir dette forsvaret mot virus et nøyaktig verktøy for genredigering som både kan endre DNA og endre spesifikke gener like lett som det er å rette opp skrivefeil
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.
Slik foregår det på laben: Det blir laget et guide-RNA som er likt med genene vi vil redigere. Guiden festes til Cas9. Akkurat som virus-RNA i CRISPR immunforsvaret, leder guide-RNAet Cas9 til genet som skal endres, og de molekylære saksene klipper opp DNAet. Kraften bak CRISPR er: ved i sprøyte inn Cas9 bundet til en bit standard guide-RNA kan forskerne redigere hvilket som helst gen i genomet.
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.
Straks DNAet er klippet opp vil cellen forsøke å reparere det. Proteiner, nukleaser, stusser ødelagte ender og fester dem sammen igjen. Denne reparasjonsprosessen, ikke-homolog endebinding, er utsatt for feil og kan gi ekstra eller for få baser. Resultatet blir ofte et gen som er ubrukelig, og det skrus av. Hvis vi tilsetter en egen sekvens med en DNA-kopi til CRISPR-blandingen, kan proteiner i cellene reparere DNA på en annen måte, homolog rekombinasjon. Da blir en DNA-kopi blir brukt som en mal i gjenoppbyggingen, når det ødelagt genet repareres eller for å sette inne et helt nytt ett.
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.
Evnen til å reparere feil i DNA betyr at CRISPR potensielt kan brukes i behandling av sykdommer som er koblet til genfeil, som cystisk fibrose eller sigdcelleanemi. Bruksmulighetene er uendelige, og ikke bare på mennesker. CRISPR kan gi planter med større frukter, mygg som ikke overfører malaria, eller omprogrammere kreftceller som har blitt resistente mot medisinen. Det er også et godt verktøy for å studere genomet, ved at forskerne kan se hva som skjer når gener skrus av og på eller når de blir endret.
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 er ikke perfekt ennå. Det er ikke alltid det vi ønsker som skjer, og det er vanskelig å forutsi langtidseffektene av CRISPR-redigering. Derfor er det knyttet etiske spørsmål til bruken. Det er opp til oss å bestemme veien videre når CRISPR nå tar steget fra en-ellede organismer over til laber, gårder, sykehus og organismer over hele verden.