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?
Do organismo unicelular mais pequeno às maiores criaturas na Terra, todos os seres vivos se definem pelos seus genes. O ADN contido nos nossos genes atua como um manual de instruções para as nossas células. Quatro blocos de construção, chamados bases, estão ligados em sequências rigorosas, que dizem à célula como se comportar e formam a base de todas as nossas características. Mas, com os recentes progressos nas ferramentas de modificação de genes, os cientistas podem alterar as características fundamentais de um organismo em tempo recorde. Podem modificar culturas resistentes às secas e criar maçãs que não apodrecem. Podem impedir a disseminação de surtos infecciosos e imaginar curas para doenças genéticas. O CRISPR é a ferramenta de modificação de genes mais rápida, fácil e barata responsável por esta nova onda da ciência. Mas de onde apareceu esta maravilha médica? Como é que funciona? E o que é que pode fazer?
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.
Surpreendentemente, o CRISPR é um processo natural que há muito que funciona como sistema imunitário bacteriano. Descoberto por defender bactérias e arqueias unicelulares contra vírus invasores, o CRISPR que ocorre na Natureza usa dois componentes principais. O primeiro são curtos fragmentos de sequências repetitivas de ADN chamados "repetições palindrómicas curtas agrupadas e regularmente interespaçadas", ou, simplesmente, CRISPR. O segundo são as Cas, ou proteínas "associadas ao CRISPR" que cortam o ADN como uma tesoura molecular. Quando um vírus invade uma bactéria, as proteínas Cas cortam um segmento do ADN viral para o coser na região CRISPR da bactéria capturando uma fotografia química da infeção. Estes códigos virais são depois copiados em pedaços curtos de ARN. Esta molécula desempenha muitas funções nas nossas células mas, no caso do CRISPR, o ARN liga-se a uma proteína especial chamada Cas9. Os complexos resultantes atuam como batedores, ligando-se a material genético flutuante e procurando uma coincidência para o vírus. Se o vírus invade novamente, o complexo batedor reconhece-o logo, e a Cas9 destrói rapidamente o ADN viral.
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.
Muitas bactérias têm este tipo de mecanismo de defesa. Mas, em 2012, os cientistas descobriram como piratear o CRISPR, para visar não apenas o ADN viral, mas qualquer ADN em quase qualquer organismo. Com as ferramentas adequadas, este sistema imunitário viral torna-se numa rigorosa ferramenta de modificação de genes que pode alterar o ADN e mudar genes específicos quase tão facilmente como reparar um erro tipográfico.
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.
No laboratório funciona assim: os cientistas concebem um ARN "guia" para coincidir com o gene que querem modificar e ligam-no à Cas9. Tal como o ARN viral no sistema imunitário CRISPR, o ARN guia dirige a Cas9 para o gene em questão e a tesoura molecular da proteína corta o ADN. É este o segredo para o poder do CRISPR: basta injetar a Cas9 ligada a um pedaço curto do ARN guia personalizado e os cientistas podem modificar praticamente qualquer gene do genoma.
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.
Depois de cortado o ADN, a célula vai tentar repará-la. Habitualmente, proteínas chamadas nucleases aparam as pontas cortadas e juntam-nas de novo. Mas este tipo de processo de reparação, chamado união de extremidade não-homóloga, é propenso a erros e pode levar a bases extra ou em falta. O gene daí resultante fica inutilizado e é desativado. Mas, se os cientistas juntarem uma sequência separada do ADN modelo ao seu "cocktail" CRISPR, as proteínas celulares podem realizar um processo de reparação do ADN diferente, chamado reparação dirigida por homologia. Este ADN modelo é usado como esquema para guiar o processo de reconstrução, reparando um gene defeituoso ou inserindo um gene totalmente novo.
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.
A capacidade de reparar erros de ADN significa que o CRISPR poderá criar um novo tratamento para doenças ligadas a erros genéticos específicos, como a fibrose cística ou a anemia de células falciformes. Como não se limita aos seres humanos, as aplicações são quase infinitas, O CISPR poderá criar plantas que produzam frutos maiores, mosquitos que não transmitam a malária, ou reprogramar células cancerosas resistentes a medicamentos. Também é uma ferramenta poderosa para estudar o genoma, permitindo que os cientistas observem o que acontece quando os genes são desativados
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.
ou alterados dentro de um organismo. O CRISPR ainda não é perfeito. Nem sempre faz apenas as modificações pretendidas, e como é difícil prever as implicações a longo prazo duma modificação CRISPR, esta tecnologia coloca grandes problemas éticos. Cabe-nos decidir o melhor caminho a seguir quando o CRISPR abandonar os organismos unicelulares e aparecer nos laboratórios, nas quintas, nos hospitais e nos organismos em todo o mundo.