Em menos de cinco anos, a tecnologia de edição de genes conhecida como Crispr revolucionou a biologia moderna. Desde 2012, quando sua capacidade de encontrar, remover e substituir material genético foi registrada pela primeira vez, os cientistas publicaram mais de 5.000 trabalhos mencionando Crispr. Pesquisadores da área de biomedicina dominam-na para melhor simular várias doenças. E inúmeras empresas começaram a fazer esforços comerciais com novos medicamentos, tratamentos, alimentos, produtos químicos e materiais baseados nessa tecnologia.
Geralmente, quando nos referimos a Crispr, queremos dizer Crispr / Cas9 - um complexo de riboproteínas que consiste em uma cadeia curta de RNA e uma enzima que corta o DNA. Ele fez pela biologia e pela medicina o que o Modelo T fez pela produção e transporte - no processo de democratização do acesso à tecnologia revolucionária e violação do status quo (estamos falando de um carro de Henry Ford, também conhecido como Tin Lizzy - o primeiro no mundo, um carro que foi produzido em milhões de séries de 1908 a 1927. Tornou-se um símbolo de como a Ford "colocou a América nas rodas", tornando um carro de passageiro relativamente acessível para um americano de classe média - aproximadamente MK).
O Crispr já está sendo usado para melhorar a condição dos pacientes com câncer e, no próximo ano, poderá ser admitido em ensaios clínicos para o tratamento de doenças genéticas, como anemia falciforme e beta-talassemia.
Mas, como o Modelo T, o Crispr Classic é um pouco estranho, pouco confiável e um pouco perigoso. Não pode simplesmente se ligar a qualquer lugar do genoma. Às vezes, faz correções no lugar errado. E ele não tem um interruptor. Se o Modelo T estiver propenso a superaquecimento, o Crispr Classic estará propenso a superaquecimento.
Mesmo com essas limitações, o Crispr Classic continuará sendo o cavalo de batalha da ciência em 2018 e além. Mas este ano, novas e mais brilhantes ferramentas de edição de genes começaram a ser lançadas na linha de produção, prometendo ofuscar seu irmão de primeira geração. Então, se você começou a pensar no Crispr - aperte o cinto, porque a edição genética 2.0 já está aqui.
A ação de corte direcionada da Crispr é sua característica definidora. Mas quando Cas9 corta duas fileiras de DNA no corpo, um elemento de risco é introduzido - quando uma lesão repentina no genoma é restaurada, as células podem começar a cometer erros. É por isso que os cientistas estão desenvolvendo maneiras de obter os mesmos resultados de maneira mais segura.
Uma abordagem é criar uma mutação da enzima Cas9 - de modo que ela ainda possa se ligar ao DNA, mas para que sua tesoura não funcione. Em seguida, outras proteínas que ativam a expressão gênica podem ser combinadas com este Cas9, permitindo que eles ativem e desativem genes (às vezes usando sinais de luz ou químicos) sem alterar a sequência de DNA. Essa "edição epigenética" pode ser usada para resolver situações decorrentes de uma combinação de fatores genéticos, em oposição a violações simples simples que são mais adequadas para o Crispr Classic (no início deste mês, pesquisadores do Salk Institute usaram um desses sistemas para tratar várias doenças em ratos, incluindo diabetes, insuficiência renal aguda e distrofia muscular).
Outros cientistas, em Harvard e no Instituto Brodsky, estão trabalhando em uma configuração Crispr ainda mais ousada: a edição de pares de bases individuais, um de cada vez. Para fazer isso, eles tiveram que desenvolver uma enzima completamente nova - não retirada das naturais - que poderia converter quimicamente o composto nucleotídeo AT emparelhado em GC. Esta é uma pequena mudança com consequências potencialmente enormes. David Liu, um químico de Harvard cujo laboratório executou este trabalho, estima que aproximadamente metade das 32.000 mutações pontuais patogênicas conhecidas em humanos pode ser corrigida por essa única transformação.
"Não quero que o público tenha a idéia errônea de que podemos substituir qualquer parte do DNA por qualquer outra parte do DNA de qualquer pessoa ou animal, ou mesmo qualquer célula de um copo", diz Liu. “Mas encontrar mesmo onde estamos agora tem uma grande responsabilidade. A grande questão é: até que ponto essa abordagem se tornará mais eficaz com o tempo? E com que rapidez podemos traduzir esses avanços tecnológicos em benefício da sociedade? ”
Crispr desenvolveu-se nas bactérias como um mecanismo de defesa primitivo. Sua tarefa era encontrar o DNA viral do inimigo e cortá-lo até que permanecesse. É um acelerador sem freios, e isso pode torná-lo perigoso, especialmente para aplicações clínicas. Quanto mais Crispr permanecer na célula, maior será a chance de ele encontrar algo semelhante ao seu gene alvo e fazer uma incisão.
Para minimizar esses efeitos "inapropriados", os cientistas desenvolveram várias novas ferramentas para um controle mais rígido da atividade do Crispr.
Até o momento, os pesquisadores identificaram 21 famílias únicas de proteínas Crispr naturais - pequenas moléculas que desativam o editor genético. Mas eles sabem como apenas alguns deles funcionam: alguns se ligam diretamente ao Cas9, não permitindo que ele se ligue ao DNA; outros incluem enzimas que substituem Cas9 por espaço no genoma. Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Berkeley, UCSF, Harvard, Broad e Universidade de Toronto estão atualmente trabalhando duro em como transformar essas “chaves” naturais em outras que podem ser programadas.
Além das aplicações médicas, isso será crucial para o desenvolvimento de unidades de genes - tecnologia de edição de genes que pode espalhar rapidamente a modificação desejada em uma população.
A capacidade de impulsionar a evolução de uma maneira ou de outra se tornará uma ferramenta poderosa para lidar com muitos problemas - das doenças às mudanças climáticas. É considerado uma ferramenta para a destruição de mosquitos da malária e o extermínio de outras espécies nocivas. Mas, liberado, pode ficar fora de controle e possivelmente levar a graves consequências. Somente este ano, a Darpa investiu US $ 65 milhões na busca de unidades genéticas mais seguras, incluindo "Disjuntores" anti-nítidos.
Apesar de muitos anos de sucesso, os cientistas ainda não entendem muito sobre como exatamente os erros no DNA podem causar a doença de uma pessoa. Eles sabem quais genes estão envolvidos nas “diretrizes de ação” celulares, mas é difícil entender onde esses comandos são entregues e como eles são traduzidos (incluindo incorretamente) no processo. É por isso que grupos de Harvard e do Instituto Brod, liderados pelo colega Crispr feng Zhang, estão trabalhando com uma nova classe de enzimas Cas que têm como alvo o RNA ao invés do DNA.
Por serem instruções usadas pelos mecanismos celulares para criar proteínas, elas carregam mais informações sobre a base genética de doenças específicas. E como o RNA vai e vem, fazer alterações nele será útil para tratar problemas de curto prazo, como inflamação aguda ou feridas. O sistema, que eles chamam de Reparo (que significa "Edição de RNA para substituição programável de A a I" - "edição de RNA para substituição programável de A por I"), até agora funciona apenas para converter um nucleotídeo. O próximo passo é descobrir como criar as 11 combinações possíveis restantes.
Os cientistas estão constantemente encontrando novas enzimas Cas. As equipes do Instituto Brodsky também estão trabalhando para descrever o cpf1, uma versão do Cas que deixa pontas pegajosas em vez de desfosforiladas ao cortar o DNA. Em fevereiro, uma equipe da UC Berkeley descobriu o CasY e o CasX, os sistemas Crispr mais compactos. E os pesquisadores esperam que muito mais venha nos próximos meses e anos.
Somente o tempo dirá se o Crispr-Cas9 foi o melhor deles, ou simplesmente o primeiro a capturar as mentes de uma geração de cientistas. "Não sabemos o que funcionará melhor em diferentes aplicativos", diz Megan Hochstrasser, que fez seu doutorado no laboratório de abertura Crispr, Jennifer Dudna, e agora trabalha no Genomics Innovation Institute. "Então, no momento, acho que todo mundo precisa apostar em todas essas ferramentas ao mesmo tempo."
Levará muitos anos de trabalho para a atual geração de editores de genes passar do laboratório para pacientes reais, linhagens de vegetais e pragas que transmitem doenças.
Se a edição genética 3.0 não os tornar obsoletos primeiro.