Dalam waktu kurang dari lima tahun, teknologi pengeditan gen yang dikenal sebagai Crispr telah merevolusi biologi modern. Sejak 2012, ketika kemampuannya untuk menemukan, menghapus, dan mengganti bahan genetik pertama kali dicatat, para ilmuwan telah menerbitkan lebih dari 5.000 karya yang menyebutkan Crispr. Para peneliti di bidang biomedis menguasainya untuk mensimulasikan berbagai penyakit dengan lebih baik. Dan banyak perusahaan telah mulai melakukan upaya komersial dengan obat-obatan baru, perawatan, makanan, bahan kimia, dan bahan berdasarkan teknologi ini.
Biasanya, ketika kita merujuk ke Crispr, yang kita maksud adalah Crispr / Cas9 - kompleks riboprotein yang terdiri dari rantai pendek RNA dan enzim yang memotong DNA. Dia melakukan untuk biologi dan kedokteran apa yang Model T lakukan untuk produksi dan transportasi - dalam proses demokratisasi akses ke teknologi revolusioner dan melanggar status quo (kita berbicara tentang mobil dari Henry Ford, juga dikenal sebagai Tin Lizzy - yang pertama di dunia, sebuah mobil yang diproduksi dalam jutaan seri dari tahun 1908 hingga 1927. Itu menjadi simbol bagaimana Ford "menempatkan Amerika di atas roda", membuat mobil penumpang relatif terjangkau untuk orang Amerika kelas menengah - sekitar MK).
Crispr sudah digunakan untuk meningkatkan kondisi pasien kanker, dan tahun depan mungkin masuk ke uji klinis untuk pengobatan penyakit genetik seperti anemia sel sabit dan beta-thalassemia.
Tapi, seperti Model T, Crispr Classic agak canggung, tidak bisa diandalkan, dan agak berbahaya. Itu tidak bisa begitu saja mengikat ke tempat mana pun dalam genom. Terkadang itu membuat koreksi di tempat yang salah. Dan dia tidak memiliki saklar. Jika Model T rawan overheating, Crispr Classic rawan overeating.
Bahkan dengan keterbatasan ini, Crispr Classic akan tetap menjadi pekerja keras untuk sains pada tahun 2018 dan seterusnya. Tetapi tahun ini, alat pengeditan gen baru yang lebih terang mulai dirilis pada jalur produksi, menjanjikan untuk mengungguli saudara generasi pertama mereka. Jadi jika Anda baru mulai berpikir tentang Crispr - buckle up, karena pengeditan genetik 2.0 sudah ada di sini.
Tindakan pemotongan tertarget Crispr adalah fitur yang menentukan. Tetapi ketika Cas9 memotong dua untai DNA dalam tubuh, unsur risiko diperkenalkan - ketika cedera tiba-tiba pada genom dipulihkan, sel-sel mungkin mulai membuat kesalahan. Itulah sebabnya para ilmuwan mengembangkan cara untuk mencapai hasil yang sama dengan cara yang lebih aman.
Salah satu pendekatan adalah membuat mutasi enzim Cas9 - sedemikian sehingga masih dapat mengikat DNA, tetapi agar guntingnya tidak berfungsi. Kemudian protein lain yang mengaktifkan ekspresi gen dapat dikombinasikan dengan Cas9 ini, memungkinkan mereka untuk menghidupkan dan mematikan gen (kadang-kadang menggunakan sinyal cahaya atau kimia) tanpa mengubah urutan DNA. "Pengeditan epigenetik" seperti itu dapat digunakan untuk menyelesaikan situasi yang timbul dari kombinasi faktor genetik, berbeda dengan pelanggaran tunggal sederhana yang paling cocok untuk Crispr Classic (awal bulan ini, para peneliti dari Salk Institute menggunakan satu sistem seperti itu untuk mengobati beberapa penyakit pada tikus, termasuk diabetes, gagal ginjal akut, dan distrofi otot).
Ilmuwan lain, di Harvard dan Institut Brodsky, sedang mengerjakan pengaturan Crispr yang lebih berani: mengedit pasangan basa individual, satu per satu. Untuk melakukan ini, mereka harus mengembangkan enzim yang sama sekali baru - tidak diambil dari yang alami - yang secara kimia dapat mengubah senyawa AT nukleotida berpasangan menjadi GC. Ini adalah perubahan kecil dengan konsekuensi yang berpotensi besar. David Liu, seorang ahli kimia Harvard yang labnya melakukan pekerjaan ini, memperkirakan bahwa sekitar setengah dari 32.000 mutasi titik patogen yang diketahui pada manusia dapat diperbaiki dengan transformasi tunggal ini.
“Saya tidak ingin publik mengemukakan gagasan keliru bahwa kita dapat mengganti bagian DNA mana pun dengan bagian DNA mana pun pada orang atau hewan apa pun, atau bahkan sel apa pun dalam cangkir,” kata Liu. “Tetapi menemukan bahkan di mana kita berada sekarang memiliki tanggung jawab besar. Pertanyaan besarnya adalah, seberapa efektif pendekatan ini dari waktu ke waktu? Dan seberapa cepat kita bisa menerjemahkan kemajuan teknologi ini untuk kepentingan masyarakat? ”
Crispr telah berkembang pada bakteri sebagai mekanisme pertahanan primitif. Tugasnya adalah menemukan DNA virus musuh dan memotongnya sampai tersisa. Ini adalah akselerator tanpa rem, dan ini dapat membuatnya berbahaya, terutama untuk aplikasi klinis. Semakin lama Crispr tetap di dalam sel, semakin tinggi kemungkinan ia akan menemukan sesuatu yang mirip dengan gen targetnya dan membuat sayatan.
Untuk meminimalkan efek "tidak pantas" ini, para ilmuwan telah mengembangkan sejumlah alat baru untuk kontrol aktivitas Crispr yang lebih ketat.
Sampai saat ini, para peneliti telah mengidentifikasi 21 keluarga unik protein Crispr alami - molekul kecil yang menonaktifkan editor genetik. Tetapi mereka tahu bagaimana hanya beberapa dari mereka yang bekerja: beberapa mengikat langsung ke Cas9, tidak membiarkannya melekat pada DNA; yang lain termasuk enzim yang menggantikan Cas9 untuk ruang pada genom. Para peneliti di University of California di Berkeley, UCSF, Harvard, Broad dan University of Toronto saat ini bekerja keras tentang bagaimana mengubah "switch" alami ini menjadi yang dapat diprogram.
Selain aplikasi medis, ini akan sangat penting untuk pengembangan lebih lanjut dari drive gen - teknologi pengeditan gen yang dapat dengan cepat menyebarkan modifikasi yang diinginkan dalam suatu populasi.
Kemampuan untuk mendorong evolusi dengan satu atau lain cara akan menjadi alat yang kuat untuk menangani banyak masalah - dari penyakit hingga perubahan iklim. Ini dianggap sebagai alat untuk penghancuran nyamuk malaria dan pemusnahan spesies berbahaya lainnya. Tetapi dirilis, itu bisa keluar dari kendali dan mungkin menyebabkan konsekuensi yang serius. Tahun ini saja, Darpa menginvestasikan $ 65 juta untuk mencari drive gen yang lebih aman, termasuk "Breakers" anti-crisp.
Meskipun telah bertahun-tahun sukses, para ilmuwan masih tidak mengerti banyak tentang bagaimana sebenarnya kesalahan dalam DNA dapat menyebabkan penyakit seseorang. Mereka tahu gen mana yang terlibat dalam "pedoman untuk tindakan" seluler, tetapi sulit untuk memahami di mana perintah-perintah ini disampaikan dan bagaimana mereka diterjemahkan (termasuk salah) dalam proses. Itulah sebabnya kelompok-kelompok di Harvard dan Brod Institute, yang dipimpin oleh sesama Crispr feng Zhang, bekerja dengan kelas baru enzim Cas yang menargetkan RNA alih-alih DNA.
Karena mereka adalah instruksi yang digunakan mekanisme sel untuk membuat protein, mereka membawa lebih banyak informasi tentang dasar genetik penyakit tertentu. Dan karena RNA datang dan pergi, membuat perubahan akan berguna untuk mengobati masalah jangka pendek seperti peradangan akut atau luka. Sistem, yang mereka sebut Perbaikan (yang merupakan singkatan dari "RNA Editing untuk Programmable A to I Replacement" - "mengedit RNA untuk penggantian A by I" yang dapat diprogram), sejauh ini hanya berfungsi untuk mengubah satu nukleotida. Langkah selanjutnya adalah mencari cara membuat 11 kemungkinan kombinasi yang tersisa.
Para ilmuwan terus-menerus menemukan enzim Cas baru. Tim-tim di Brodsky Institute juga bekerja untuk mendeskripsikan cpf1, versi Cas yang meninggalkan ujung yang lengket alih-alih yang terdefosforilasi saat memotong DNA. Pada bulan Februari, sebuah tim dari UC Berkeley menemukan CasY dan CasX, sistem Crispr paling kompak. Dan para peneliti berharap lebih banyak lagi akan datang dalam beberapa bulan dan tahun mendatang.
Hanya waktu yang akan mengatakan apakah Crispr-Cas9 adalah yang terbaik di antara mereka, atau hanya yang pertama yang menangkap pikiran satu generasi ilmuwan. "Kami tidak tahu apa yang akan bekerja paling baik dalam aplikasi yang berbeda," kata Megan Hochstrasser, yang membuat kandidat Ph.D-nya di lab pembuka Crispr, Jennifer Dudna, dan sekarang bekerja di Genomics Innovation Institute. "Jadi saat ini, saya pikir semua orang perlu bertaruh pada semua alat ini pada saat yang sama."
Butuh bertahun-tahun kerja bagi generasi editor gen saat ini untuk pindah dari laboratorium ke pasien sungguhan, garis nabati dan hama yang membawa penyakit.
Jika penyuntingan genetik 3.0 tidak membuatnya usang dulu.