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?
De la cel mai mic organism unicelular la cele mai mari creaturi de pe pământ, fiecare ființă vie e definită de genele sale. ADN-ul din genele noastre acționează ca un ghid pentru celulele noastre. Patru unități structurale numite baze sunt unite în secvențe exacte, care-i spun celulei cum să se comporte și reprezintă fundația fiecărei nostre trăsături. Dar cu progresul recent al instrumentelor de editare a genelor, oamenii de știință pot schimba trăsăturile de bază ale unui organism în timp record. Pot produce culturi rezistente la secetă și mere care nu se strică. Ar putea preveni chiar și răspândirea focarelor infecțioase și să dezvolte remedii pentru boli genetice. CRISPR e cel mai rapid, ușor și ieftin instrument de editare a genelor responsabil pentru acest nou val de inovații științifice. Dar de unde provine această minune a medicinei? Cum funcționează? Și ce poate face?
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.
Surprinzător, CRISPR e de fapt un proces natural care a funcționat un timp îndelungat ca un sistem imunitar bacterian. Inițial s-a constat că protejează bacteriile unicelulare și arheele împotriva virusurilor invadatoare, CRISPR-ul natural folosește două componente principale. Primele sunt fragmente scurte de ADN repetitiv numite „clustere regulat interspațiate de secvențe palindromice repetate”, sau mai simplu, CRISPR-uri. Următoarele sunt Cas sau „proteine asociate CRISPR” care despică ADN-ul asemenea unui foarfece molecular. Când un virus invadează bacteria, proteinele Cas elimină un segment din ADN-ul viral ca să-l lipească în regiunea CRISPR a bacteriei, capturând o imagine chimică a infecției. Acele coduri virale sunt apoi copiate în piese scurte de ARN. Această moleculă are multe roluri în celulele noastre, dar în cazul CRISPR, ARN-ul se leagă de o proteină specială numită Cas9. Complexele rezultate se comportă asemenea anticorpilor, blochează materialul genetic liber și încearcă se să lege de virus. Dacă virusul revine, acest complex îl va recunoaște imediat, și Cas9 distruge rapid ADN-ul 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.
Multe bacterii au acest tip de mecanism de apărare. Dar în 2012, oamenii de știință au descoperit cum să „deturneze” CRISPR ca să țintească nu doar ADN-ul viral, ci orice ADN în aproape orice organism. Cu instrumentele potrivite, sistemul imun viral devine un instrument precis de editare a genelor, care poate modifica ADN-ul și schimbă gene specifice aproape la fel de ușor ca repararea unei greșeli de tipar.
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.
Uite cum funcționează în laborator: oamenii de știință concep un ARN „ghid” care corespunde genei pe care vor să o modifice, și o atașează proteinei Cas9. Asemenea ARN-ului viral în sistemul imun al lui CRISPR, ARN-ul mesager direcționează Cas9 la gena țintă, și foarfecele molecular al proteinei taie ADN-ul. Aceasta e esența puterii CRISPR: doar prin injectarea Cas9 legată de o secvență ARN,
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.
oamenii de știință pot schimba orice genă din genom. Odată ce ADN-ul este tăiat, celula va încerca să-l repare. De obicei, proteinele numite nucleaze taie extremitățile rupte și apoi le unesc înapoi. Dar acest tip de proces de reparare, denumit lipire neomogenă, e predispus la greșeli și pot rezulta baze suplimentare sau lipsă. Gena rezultată e de obicei instabilă și dezactivată. Însă dacă oamenii de știință adaugă o secvență ADN la amestecul lor CRISPR, proteinele celulare pot efectua un proces diferit de reparare a ADN-ului, denumit reparare direcționată. Acestă secvență ADN e folosită ca o schiță care ghidează procesul de reconstrucție, reparând o genă defectă sau chiar inserând una complet nouă.
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.
Abilitatea de a repara greșelile ADN-ului înseamnă că CRISPR ar putea probabil să creeze noi tratamente pentru boli asociate cu anumite greșeli genetice, precum fibroza chistică sau siclemia. Și deoarece nu e limitată la oameni, utilizările sale sunt aproape infinite. CRISPR ar putea crea plante care ar produce fructe mai mari, țânțari care nu pot transmite malaria, sau chiar reprograma celulele canceroase rezistente la medicamente. E totodată un instrument puternic pentru studiul genomului, permițând cercetătorilor să observe ce se petrece când genele devin inactive sau se schimbă în organism.
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 nu este încă perfect. Nu generează întotdeauna doar schimbările intenționate, și fiindcă sunt dificil de prezis consecințele pe termen lung ale unei modificări CRISPR, această tehnologie ridică întrebări etice importante. Depinde de noi să decidem cel mai bun drum mai departe pe măsură ce CRISPR lasă în urmă organismele unicelulare și se îndreaptă către laboratoare, farmacii, spitale,