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 menor organismo unicelular às maiores criaturas da Terra, todos os seres vivos são definidos por seus genes. O DNA contido em nossos genes atua como um manual de instruções para nossas células. Quatro blocos de construção chamados de bases estão ligados em sequências precisas, que dizem à célula como se comportar e formam a base de todas as nossas características. Porém, com os recentes avanços das ferramentas de edição do genoma, os cientistas podem alterar as características fundamentais de um organismo em tempo recorde. Podem modificar culturas resistentes às secas e criar maçãs que não escurecem. Podem impedir a disseminação de surtos infecciosos e desenvolver curas para doenças genéticas. O CRISPR é a ferramenta de edição do genoma mais rápida, fácil e barata responsável por essa nova onda da ciência. Mas de onde surgiu essa maravilha médica? Como funciona? E o 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, na verdade, um processo natural que funciona há muito tempo como sistema imunológico bacteriano. Descoberto originalmente na defesa de bactérias e arqueias unicelulares contra vírus invasores, o CRISPR que ocorre na natureza usa dois componentes principais. O primeiro são fragmentos curtos de sequências repetitivas de DNA chamados "repetições palindrômicas curtas agrupadas e regularmente interespaçadas", ou, simplesmente, CRISPR. O segundo são as Cas, ou proteínas "associadas ao CRISPR", que cortam o DNA como uma tesoura molecular. Quando um vírus invade uma bactéria, as proteínas Cas cortam um segmento do DNA viral para costurá-lo na região CRISPR da bactéria, capturando uma fotografia química da infecção. Esses códigos virais são copiados depois em pedaços curtos de RNA. Essa molécula desempenha muitas funções em nossas células, mas, no caso do CRISPR, o RNA liga-se a uma proteína especial chamada Cas9. Os complexos resultantes atuam como exploradores, ligando-se a material genético flutuante e procurando por algo que corresponda ao vírus. Se o vírus invadir novamente, o complexo explorador o reconhecerá logo, e a Cas9 destruirá rapidamente o DNA 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 esse tipo de mecanismo de defesa. Porém, em 2012, os cientistas descobriram como piratear o CRISPR, para visar não apenas o DNA viral, mas qualquer DNA de quase qualquer organismo. Com as ferramentas certas, esse sistema imunológico viral torna-se uma ferramenta precisa de edição do genoma que pode alterar o DNA e mudar genes específicos quase tão facilmente como corrigir 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.
Eis como funciona no laboratório: os cientistas projetam um RNA "guia" para corresponder com o gene que querem modificar e ligam-no à Cas9. Assim como o RNA viral do sistema imunológico CRISPR, o RNA guia conduz a Cas9 para o gene-alvo, e a tesoura molecular da proteína corta o DNA. Esse é o segredo do poder do CRISPR: basta injetar a Cas9 ligada a um pedaço curto do RNA 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 que o DNA é cortado, a célula tentará consertá-lo. Geralmente, proteínas chamadas nucleases aparam as pontas cortadas e as juntam de novo. Mas esse tipo de processo de reparação, chamado união de extremidade não homóloga, está propenso a erros e pode levar a bases extras ou faltantes. Muitas vezes, o gene resultante fica inutilizável e é desativado. No entanto, se os cientistas incluírem uma sequência separada do DNA modelo ao coquetel CRISPR, as proteínas celulares podem realizar um processo diferente de reparação de DNA, chamado de reparo dirigido por homologia. Esse DNA modelo é usado como esquema para guiar o processo de reconstrução, que conserta um gene defeituoso ou, até mesmo, inclui um totalmente novo. A capacidade de corrigir erros de DNA
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.
significa que o CRISPR poderá criar novos tratamentos para doenças ligadas a erros genéticos específicos, como fibrose cística ou anemia falciforme. Como não se limita a 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 cancerígenas resistentes a medicamentos. Também é uma ferramenta poderosa para estudar o genoma, que permite aos cientistas ver o que acontece quando os genes são desativados ou alterados dentro de um organismo.
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.
O CRISPR ainda não é perfeito. Nem sempre faz apenas as modificações pretendidas, e, como é difícil prever as implicações a longo prazo de uma modificação CRISPR, essa tecnologia levanta questões éticas importantes. Cabe a nós decidir o melhor caminho a seguir conforme o CRISPR deixa organismos unicelulares para trás e entra em laboratórios, fazendas, hospitais e organismos em todo o mundo.