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?
Dünya üzerindeki en küçük tek hücreli organizmadan en büyük canlıya kadar yaşayan her şey, genleri ile tanımlanır. Genlerimizdeki DNA, hücrelerimizin kullanma kılavuzu gibidir. Bazlar denilen dört yapı taşının kusursuz bir sıralamayla bağlanmasından oluşur. Bu sıralamalar, hücrelere nasıl davranacaklarını söyler ve kişisel özelliklerimizin temellerinin oluşturur. Ama gen düzenleme araçlarındaki son gelişmeler ile bilim insanları, organizmaların temel özelliklerini çok kısa sürelerde değiştirebiliyorlar. Kuraklığa dayanıklı mahsuller ve kararmayan elmalar ürettiler. Salgınların yayılması bile önlenebilir ve genetik hastalıklar için tedavi geliştirilebilir. Bu yeni bilim akımının çıkmasına yardımcı olan CRISPR en hızlı, en kolay ve en ucuz gen düzenleme yöntemidir. Peki bu tıbbi mucize nereden geldi? Nasıl çalışır ve neler yapabilir? Bakteriyel bağışıklık sisteminde uzun süredir yer alan CRISPR
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.
şaşırtıcı da olsa aslında doğal bir süreçtir. Tek hücreli bakteriler ve arkeaları virüs istilasından korurken keşfedilen CRISPR, doğal olarak oluşur ve iki ana bileşenden meydana gelir. İlki, birbirini tekrar eden DNA dizilimlerinin ufak parçalarıdır. Bunlara "Düzenli aralıklarla bölünmüş palindromik tekrar kümeleri" ya da kısaca CRISPR denilir. İkincisi ise Cas ya da "CRISPR bağlantılı" proteinlerdir. Bunlar da DNA'yı moleküler bir makas gibi keserler. Bir virüs, bakteriyi işgal ettiğinde Cas proteinleri virüs DNA'sının bir bölümünü kesip çıkarır ve bakterinin CRISPR bölgesine dikerek enfeksiyonun kimyasal fotoğrafını çeker. Sonra bu virüs kodları RNA parçalarına kopyalanır. Bu molekül hücrelerimizde pek çok rol üstlenir. Fakat CRISPR durumunda RNA, Cas9 denilen özel bir proteine bağlanır. Sonuçta oluşan bileşik, gözcü gibi hareket ederek serbest dolaşan genetik materyale yapışıp virüs için bir eşleşme arar. Virüs tekrar işgal ederse gözcü bileşik hemen onu tanır ve Cas9 derhâl virüs DNA'sını yok eder. Çoğu bakterinin benzer bir savunma mekanizması vardır.
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.
Fakat 2012'de bilim insanları CRISPR'ı yalnızca virüs DNA'sını değil aynı zamanda neredeyse her organizmadaki tüm DNA'ları hedef alması için yönlendirmeyi başardılar. Doğru araçlarla bu viral bağışıklık sistemi, mükemmel gen düzenleme aracı olup neredeyse imla hatası düzeltmek kadar kolayca DNA'yı ve belirli genleri değiştirebilir.
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.
Laboratuvarda şu şekilde işliyor: Bilim insanları düzenlemek istedikleri genle eşleşecek bir "kılavuz" RNA tasarlayıp bunu Cas9'a iliştiriyorlar. CRISPR bağışıklık sistemindeki viral RNA gibi kılavuz RNA da Cas9'u hedef gene yönlendirir ve proteinin molekül makası DNA'yı kırpar. CRISPR'ın gücünün anahtarı şudur: tasarlanmış kılavuz RNA'nın kısa bir parçasına Cas9'u enjekte ederek bilim insanları genomdaki neredeyse her geni düzenleyebilir.
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.
DNA kesildikten sonra hücre bunu onarmaya çalışacaktır. Nükleaz denilen proteinler genellikle kırık uçları kırpıp yeniden bir araya getirir. Fakat nonhomolog uç birleştirme denilen bu tür bir onarım süreci hatalara yatkındır ve fazla ya da eksik bazlara yol açabilir. Sonuçta oluşan gen genelde kullanılamaz ve kapatılır. Buna rağmen bilim insanları CRISPR kokteyllerine ayrı bir DNA dizisi taslağı eklerlerse hücre proteinleri, homoloji güdümlü onarım denilen farklı bir DNA onarım süreci gerçekleştirir. Bu DNA taslağı, yeniden inşa sürecini yönlendirmek, kusurlu bir geni onarmak veya tamamen yeni bir tane iliştirmek için şablon olarak kullanılır.
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.
DNA hatalarını düzeltebilme yeteneği CRISPR'ın potansiyel olarak kistik fibroz ya da orak hücre anemisi gibi genetik hatalara bağlı hastalıklar için yeni tedaviler yaratabilecek demektir. Üstelik insanlarla sınırlı olmadığı için uygulamaları neredeyse sonsuzdur. CRISPR daha büyük meyveler veren bitkiler ve sıtma yaymayan sivrisinekler yaratabilir veya ilaca dirençli kanser hücrelerini yeniden programlayabilir. Aynı zamanda genomu incelemek için güçlü bir araçtır. Bilim insanlarına bir organizmadaki genler kapatıldığında ya da değiştirildiğinde ne olduğunu izleme fırsatı verir.
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 henüz mükemmel değil. Her zaman yalnızca istenilen değişikliği yapmıyor ve CRISPR düzenlemenin uzun vadede tahmini zor olduğu için bu teknoloji büyük ahlaki çelişkiler doğuruyor. CRISPR, tek hücreli organizmaları geride bırakıp laboratuvarlara, çiftliklere, hastanelere ve tüm dünyadaki organizmalara yönelirken ilerideki en iyi yola karar vermek bize kalıyor.