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 najmniejszego jednokomórkowego organizmu po największe stworzenia na Ziemi każda żyjąca istota jest definiowana przez własne geny. DNA zawarte w naszych genach działa jak instrukcja obsługi dla komórek. Cztery budulce życia zwane zasadami są splecione w konkretnych sekwencjach, które mówią komórce, co ma robić, i są początkiem każdej naszej cechy. Dzięki niedawnym odkryciom w dziedzinie narzędzi do edycji genów naukowcy mogą w rekordowym czasie zmienić podstawowe cechy organizmu. Mogą tworzyć rośliny odporne na suszę i jabłka, które nie ciemnieją. Mogą nawet zapobiec występowaniu epidemii chorób zakaźnych i leczyć choroby genetyczne. CRISPR jest najszybszym, najłatwiejszym i najtańszym narzędziem do edycji genów odpowiedzialnym za tę nową gałąź nauki. Ale skąd wziął się ten cud medycyny? Jak działa? I do czego jest zdolny?
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.
Co ciekawe, CRISPR jest właściwie procesem naturalnym, który długo funkcjonował jako układ odpornościowy bakterii. Odkryto go u jednokomórkowych bakterii i archeonów, kiedy bronił ich przed atakiem wirusów. Naturalnie występujący CRISPR wykorzystuje dwa główne elementy. Pierwszym z nich są krótkie wycinki powtarzających się sekwencji DNA czyli “zgrupowane, regularnie rozproszone, krótkie, powtórzenia palindromiczne” albo po prostu CRISPR-y. Drugi to Cas, czyli "białka skojarzone z CRISPR", które tną DNA jak molekularne nożyce. Kiedy wirus atakuje bakterię, białka Cas wycinają fragment DNA wirusa, żeby wbudować go w obrębie CRISPR-u bakterii, tworząc chemiczny wycinek infekcji. Fragmenty materiału genetycznego wirusa są potem kopiowane na krótkie odcinki RNA. Ta cząsteczka pełni wiele ról w naszych komórkach, ale w przypadku CRISPR-a RNA przyłącza białko nazywane Cas9. Powstałe związki są jak zwiadowcy, kiedy przyczepiają się do wolnego materiału genetycznego i sprawdzają jego zgodność z tym wirusa. Kiedy wirus znów zaatakuje, zwiadowca od razu go rozpoznaje, a Cas9 prędko niszczy DNA wirusa.
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.
Wiele bakterii ma taki mechanizm obronny. Ale w 2012 roku naukowcy odkryli, jak przejąć kontrolę nad CRISPR-em, żeby obierał za cel nie tylko wirusowe DNA, ale dowolne DNA prawie każdego organizmu. Dzięki odpowiednim narzędziom system obrony przed wirusami staje się precyzyjnym narzędziem do edycji genów, który może przekształcać DNA i zmieniać określone geny prawie z taką łatwością, z jaką poprawia się literówkę.
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.
W laboratorium to działa tak. Naukowcy tworzą “przewodzące” RNA pasujące do genu, który chcą zmienić, i przyłączają je do Cas9. Tak jak wirusowe RNA w układzie odpornościowym CRISPR, przewodzące RNA kieruje Cas9 do genu docelowego, a białko jak nożyce molekularne tnie DNA. To właśnie czyni CRISPR-a tak potężnym. Wystarczy wszczepić Cas9 przyłączone do odcinka RNA przewodzącego, żeby naukowcy mogli zmodyfikować praktycznie każdy gen w genomie.
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.
Kiedy DNA zostanie pocięte, komórka będzie próbowała to naprawić. Normalnie białka zwane nukleazami przycinają rozdzielone końce i łączą je z powrotem. Ale w tym typie procesu naprawczego, znanym jako scalenie niehomologicznych końców DNA, pomyłki zdarzają się często, a to może skończyć się dodatkowymi albo brakującymi zasadami. Często powstały w efekcie gen staje się bezużyteczny i zostaje wyłączony. Jednak jeśli naukowcy dodadzą osobną sekwencję matrycowego DNA do CRISPR-owego koktajlu, białka komórkowe mogą przeprowadzić inny proces naprawczy, czyli bezpośrednią naprawę homologiczną. DNA matrycowe użyte zostaje jako plan kierujący procesem odbudowy naprawiającej wadliwy gen, a nawet wstawiającej całkowicie nowy.
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.
Umiejętność naprawy błędów w DNA oznacza, że CRISPR może potencjalnie stworzyć nowe terapie chorób spowodowanych wadami genetycznymi jak mukowiscydoza czy anemia sierpowata. A skoro nie ogranicza się to do ludzi, zastosowania są prawie nieskończone. CRISPR może stworzyć rośliny dające większe owoce, komary, które nie przenoszą malarii, a nawet przeprogramować lekooporne komórki rakowe. Jest to również potężne narzędzie do badania genomu pozwalające naukowcom obserwować skutki wyłączenia pewnych genów albo ich modyfikacji w organizmie.
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 nie jest jeszcze idealny. Nie zawsze przeprowadza tylko zamierzone zmiany, a z powodu trudnych do przewidzenia długofalowych skutków użycia CRISPR-a technologia ta wzbudza duże wątpliwości etyczne. Do nas należy obranie najlepszego kierunku rozwoju, podczas gdy CRISPR przenosi się z organizmów jednokomórkowych, do laboratoriów, farm, szpitali i organizmów na całym świecie.