In weniger als fünf Jahren hat die als Crispr bekannte Gen-Editing-Technologie die moderne Biologie revolutioniert. Seit 2012, als erstmals festgestellt wurde, dass es in der Lage ist, genetisches Material zu finden, zu entfernen und zu ersetzen, haben Wissenschaftler mehr als 5.000 Werke veröffentlicht, in denen Crispr erwähnt wird. Forscher auf dem Gebiet der Biomedizin beherrschen es, um verschiedene Krankheiten besser simulieren zu können. Und unzählige Unternehmen haben begonnen, kommerzielle Anstrengungen mit neuen Medikamenten, Behandlungen, Lebensmitteln, Chemikalien und Materialien zu unternehmen, die auf dieser Technologie basieren.
Wenn wir uns auf Crispr beziehen, meinen wir normalerweise Crispr / Cas9 - einen Riboproteinkomplex, der aus einer kurzen Kette von RNA und einem Enzym besteht, das DNA schneidet. Er hat für Biologie und Medizin das getan, was Model T für Produktion und Transport getan hat - dabei den Zugang zu revolutionärer Technologie demokratisiert und den Status Quo verletzt (wir sprechen von einem Auto von Henry Ford, auch bekannt als Tin Lizzy - das erste in der Welt ein Auto, das von 1908 bis 1927 in Millionen-Serien produziert wurde. Es wurde zu einem Symbol dafür, wie Ford „Amerika auf die Räder stellte“, was einen Pkw für einen Amerikaner der Mittelklasse relativ erschwinglich machte (ca. MK).
Crispr wird bereits zur Verbesserung des Zustands von Krebspatienten eingesetzt und kann im nächsten Jahr in klinische Studien zur Behandlung genetisch bedingter Krankheiten wie Sichelzellenanämie und Beta-Thalassämie aufgenommen werden.
Aber wie das Modell T ist Crispr Classic etwas umständlich, unzuverlässig und ein bisschen gefährlich. Es kann nicht einfach an irgendeinen Ort im Genom binden. Manchmal werden Korrekturen am falschen Ort vorgenommen. Und er hat keinen Schalter. Wenn das Modell T zu Überhitzung neigte, ist Crispr Classic anfällig für Überhitzung.
Trotz dieser Einschränkungen wird Crispr Classic 2018 und darüber hinaus das Arbeitstier für die Wissenschaft bleiben. In diesem Jahr wurden jedoch neue, bessere Tools zur Bearbeitung von Genen in der Produktion veröffentlicht, die versprechen, ihren Bruder der ersten Generation zu übertreffen. Wenn Sie also gerade erst angefangen haben, über Crispr nachzudenken, schnallen Sie sich an, denn die genetische Bearbeitung 2.0 ist bereits vorhanden.
Die gezielte Schneidwirkung von Crispr ist das bestimmende Merkmal. Wenn Cas9 jedoch zwei DNA-Stränge in den Körper schneidet, wird ein Risikoelement eingeführt. Wenn eine solche plötzliche Verletzung des Genoms wiederhergestellt wird, können die Zellen anfangen, Fehler zu machen. Aus diesem Grund entwickeln Wissenschaftler Wege, um auf sicherere Weise dieselben Ergebnisse zu erzielen.
Ein Ansatz besteht darin, eine Mutation des Cas9-Enzyms zu erzeugen - so dass es immer noch an DNA binden kann, aber dass seine Schere nicht funktioniert. Dann können andere Proteine, die die Genexpression aktivieren, mit diesem Cas9 kombiniert werden, so dass sie Gene ein- und ausschalten können (manchmal unter Verwendung von Licht oder chemischen Signalen), ohne die DNA-Sequenz zu ändern. Eine solche "epigenetische Bearbeitung" kann verwendet werden, um Situationen zu lösen, die sich aus einer Kombination genetischer Faktoren ergeben - im Gegensatz zu einfachen Einzelverletzungen, die für Crispr Classic am besten geeignet sind (Anfang dieses Monats verwendeten Forscher des Salk-Instituts ein solches System zur Behandlung mehrerer Krankheiten bei Mäusen). einschließlich Diabetes, akutem Nierenversagen und Muskeldystrophie).
Andere Wissenschaftler in Harvard und am Brodsky Institute arbeiten an einem noch mutigeren Crispr-Setup: Sie bearbeiten einzelne Basenpaare nacheinander. Dazu mussten sie ein völlig neues Enzym entwickeln - nicht aus natürlichen -, das die gepaarte AT-Nukleotidverbindung chemisch in GC umwandeln konnte. Dies ist eine kleine Änderung mit potenziell großen Konsequenzen. David Liu, ein Harvard-Chemiker, dessen Labor diese Arbeit durchgeführt hat, schätzt, dass ungefähr die Hälfte der 32.000 bekannten pathogenen Punktmutationen beim Menschen durch diese einzelne Transformation korrigiert werden können.
"Ich möchte nicht, dass die Öffentlichkeit auf die falsche Idee kommt, dass wir einen Teil der DNA durch einen anderen Teil der DNA einer Person oder eines Tieres oder sogar eine Zelle in einer Tasse ersetzen können", sagt Liu. „Aber selbst dort zu finden, wo wir jetzt sind, hat eine große Verantwortung. Die große Frage ist, wie viel effektiver dieser Ansatz im Laufe der Zeit wird. Und wie schnell können wir diese technologischen Fortschritte zum Nutzen der Gesellschaft umsetzen? “
Crispr hat sich in Bakterien als primitiver Abwehrmechanismus entwickelt. Seine Aufgabe war es, die feindliche virale DNA zu finden und zu schneiden, bis sie übrig bleibt. Es ist ein Gaspedal ohne Bremsen, und dies kann es gefährlich machen, insbesondere für klinische Anwendungen. Je länger Crispr in der Zelle bleibt, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass er etwas Ähnliches wie sein Zielgen findet und einen Einschnitt macht.
Um diese „unangemessenen“ Effekte zu minimieren, haben Wissenschaftler eine Reihe neuer Tools zur genaueren Kontrolle der Crispr-Aktivität entwickelt.
Bisher haben Forscher 21 einzigartige Familien natürlicher Crispr-Proteine identifiziert - kleine Moleküle, die den genetischen Editor deaktivieren. Aber sie wissen, wie nur einige von ihnen funktionieren: Einige binden direkt an Cas9 und lassen es nicht an DNA binden; andere schließen Enzyme ein, die Cas9 für Platz im Genom verdrängen. Forscher der University of California in Berkeley, der UCSF, Harvard, Broad und der University of Toronto arbeiten derzeit intensiv daran, wie diese natürlichen „Schalter“ in programmierbare umgewandelt werden können.
Neben medizinischen Anwendungen wird dies für die Weiterentwicklung von Gen-Antrieben von entscheidender Bedeutung sein - einer Gen-Editing-Technologie, mit der sich die gewünschte Modifikation in einer Population schnell verbreiten lässt.
Die Fähigkeit, die Evolution auf die eine oder andere Weise voranzutreiben, wird zu einem wirksamen Instrument für die Bewältigung vieler Probleme - von Krankheiten bis zum Klimawandel. Es gilt als Instrument zur Zerstörung von Malariamücken und zur Ausrottung anderer schädlicher Arten. Aber freigegeben, kann es außer Kontrolle geraten und möglicherweise zu schwerwiegenden Konsequenzen führen. Allein in diesem Jahr investierte Darpa 65 Millionen US-Dollar in die Suche nach sichereren Genantrieben, darunter "Breakers" anti-knusprig.
Trotz langjähriger Erfolge verstehen Wissenschaftler immer noch nicht viel darüber, wie genau DNA-Fehler die Krankheit einer Person verursachen können. Sie wissen, welche Gene an zellulären „Handlungsrichtlinien“ beteiligt sind, aber es ist schwer zu verstehen, wo diese Befehle übermittelt werden und wie sie dabei übersetzt werden (auch falsch). Aus diesem Grund arbeiten Gruppen in Harvard und am Brod Institute unter der Leitung von Crispr Feng Zhang mit einer neuen Klasse von Cas-Enzymen, die auf RNA anstelle von DNA abzielen.
Da es sich um Anweisungen handelt, mit denen Zellmechanismen Proteine erzeugen, enthalten sie mehr Informationen über die genetischen Grundlagen bestimmter Krankheiten. Und da RNA kommt und geht, ist es nützlich, Änderungen daran vorzunehmen, um kurzfristige Probleme wie akute Entzündungen oder Wunden zu behandeln. Das System, das sie Repair nennen (was für "RNA-Bearbeitung für programmierbares Ersetzen von A zu I" - "Bearbeiten von RNA für programmierbares Ersetzen von A durch I" steht), funktioniert bisher nur für die Umwandlung eines Nukleotids. Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, wie die verbleibenden 11 möglichen Kombinationen erstellt werden.
Wissenschaftler finden ständig neue Cas-Enzyme. Die Teams des Brodsky-Instituts arbeiten auch daran, cpf1 zu beschreiben, eine Version von Cas, die beim Schneiden von DNA klebrige statt dephosphorylierte Enden hinterlässt. Im Februar entdeckte ein Team von UC Berkeley CasY und CasX, die kompaktesten Crispr-Systeme. Und Forscher erwarten in den kommenden Monaten und Jahren noch viel mehr.
Nur die Zeit wird zeigen, ob der Crispr-Cas9 der beste von ihnen war oder einfach der erste, der die Gedanken einer Generation von Wissenschaftlern erregte. "Wir wissen nicht, was in verschiedenen Anwendungen am besten funktioniert", sagt Megan Hochstrasser, die ihre Doktorandin im Crispr Opener Lab, Jennifer Dudna, promovierte und jetzt am Genomics Innovation Institute arbeitet. "Im Moment denke ich, dass jeder gleichzeitig auf all diese Tools wetten muss."
Es wird viele Jahre dauern, bis die aktuelle Generation von Geneditoren vom Labor zu echten Patienten, Gemüselinien und Schädlingen übergeht, die Krankheiten übertragen.
Wenn die genetische Bearbeitung 3.0 sie nicht zuerst obsolet macht.