Biotechnologia

Czym jest CRISPR?

DNA_methylation

Jest taka technologia, która zasługuje na miano disruptive. Na razie jest o niej względnie cicho w głównych mediach, lecz coraz śmielej zaczyna się do nich przebijać i już wkrótce o niej usłyszycie, w pozytwnym lub negatywnym świetle.

Mowa o CRISPR.

CRISPR (skrót od Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats) jest technologią, która zrewolucjonizowała inżynierię genetyczną w ostatnich latach. Jest szybsza, dokładniejsza, i przede wszystkim tańsza niż poprzednie metody, dzięki czemu inżynieria gentyczna stała się znacznie prostsza, a sama metoda szturmem zajęła miejsce jako domyślne narzędzie wielu genetyków.

Zarazem jest to technologia, która budzi skrajne emocje. Niektórzy widzą w niej narzędzie, które pozwoli na tworzenie organizmów o dokładnie takich właściwościach, jakie potrzebujemy. Zboże, które daje większe plony? Proszę bardzo, zmień parę genów i gotowe. Komary odporne na malarię? Da się zrobić i niektórzy już to robią.

CRISPR może być też stosowany w medycynie przy terapii genetycznej, gdzie może sprawić, że niektóre choroby genetyczne będą historią.

Inni natomiast widzą w CRISPR zagrożenie. Widzą w tej technologii puszkę Pandory lub coś, co niewłaściwie wykorzystane przyniesie zgubę ludzkości.

Ale czym jest CRISPR? Jak to działa? I dlaczego wzbudza takie kontrowersje?

Historia CRISPR

Po raz pierwszy CRISPR pojawił się w świecie nauki w 1987 roku, kiedy to Yoshizumi Ishino odkrył ciekawą rzecz w bakterii Escherichia coli. Odkrył on powtarzające się i równomiernie rozmieszczone fragmenty DNA zgrupowane w pewnym miejscu na nici DNA.

Początkowo nie było jasne do czego wykorzystywane jest owo zgrupowanie ani jaką pełni funkcję. Dopiero w 2005 roku trzy niezależne zespoły odkryły (które teraz się kłócą o to, kto był pierwszy), że powtarzające się zgrupowania są tak naprawdę fragmentami DNA bakteriofagów – wirusów atakujących bakterie, z czego wynika, że CRISPR jest mechanizmem odpornościowym w bakteriach.

Czym jest CRISPR?

Gdy przetłumaczymy skrót CRISPR na język polski to otrzymamy zbiór słów takich jak „zgrupowane, regularnie rozproszone, krótkie, powtarzające się sekwencje palindromiczne”. Co to oznacza?

W DNA bakterii CRISPR wygląda mniej więcej tak:

crispr-1
Źródło: Augmentyka

 

Zaznaczone na pomarańczowo sekcje to właśnie owe krótkie, powtarzające się sekwencje, które odkrył Yoshizumi Ishino. Tuż za nimi umieszczone są fragmenty DNA wirusów, oznaczone różnymi kolorami.

Podczas transkrypcji DNA, mRNA odczytuje całe zgrupowanie CRISPR, które potem jest dzielone na krótsze fragmenty RNA, zwane crRNA (CRISPR RNA). crRNA zawiera tylko powtarzający się fragment oraz fragment DNA wirusa.

crispr-2
Źródło: Augmentyka

Następnie do crRNA doczepia się tracrRNA (transactive CRISPR RNA). tracrRNA zawiera fragment, do którego przyczepia się sekwencja CRISPR.

crispr-3
Źródło: Augmentyka

crRNA oraz tracrRNA wspólnie tworzą gRNA (guide RNA), które jest sygnaturą wirusa wykorzystywaną w systemie obronnym komórki.

Jak CRISPR działa?

CRISPR działa jest z grubsza podobnie jak ludzki system odpornościowy. Jeżeli złapiesz jakąś chorobę i się z niej wyleczysz, twój układ odpornościowy może nauczyć się rozpoznawać podobne zagrożenie w przyszłości i dzięki temu szybciej i lepiej zareagować.

W przypadku bakterii jest podobnie. CRISPR tnie DNA atakującego wirusa i dodaje jego fragmenty do DNA bakterii, tworząc swoistą bazę wrogich DNA.

CRISPR potrzebuje dwóch składników do działania – gRNA ze wzorcem i enzymu zwanym Cas (CRISPR associated protein). W inżynierii genetycznej obecnie najpopularniejszym enzymem jest Cas9 (skąd czasami spotykana nazwa CRISPR-Cas9), ale dostępne są również inne enzymy.

Poniższy rysunek pokazuje jak CRISPR działa.

Crispr
Źródło: Wikipedia

Wirus atakuje bakterię, przebija się przez błonę i wprowadza swoje DNA do wnętrza komórki.

Do akcji wkraczają enzymy. Wykorzystując informacje zakodowane w sekcji CRISPR komórka produkuje wszystkie znane jej „przeciwciała” i rzuca je na front mając nadzieję, że coś się złapie.

Enzym zawierający gRNA z pasującym wzorcem przyczepia się do odpowiedniego miejsca na DNA wirusa na jednej z jego nici i zmusza pasujące pary kwasu nukleinowego do odczepienia się od DNA wirusa i przyczepienia się do wzorca w gRNA. Następnie do akcji wkraczają kolejne enzymy, które działają jak bardzo precyzyjne nożyczki i tną wrogie DNA dokładnie tam, gdzie kończy się wzorzec.

DNA wirusa zostaje uszkodzone i nie zagraża już bakterii.

Pocięte fragmenty DNA są następnie dodawane do DNA bakterii w sekcji CRISPR, uzupełniając jej bazę danych o wirusach, dzięki czemu bakteria może w przyszłości szybciej zareagować na zagrożenie.

CRISPR jako technologia

Wiemy więc już, że bakterie posiadają mechanizm do bardzo precyzyjnego cięcia DNA. Kolejne badania i eksperymenty udowodniły, że CRISPR działa nie tylko w bakteriach, ale też w innych organizmach, takich jak drożdże, muszki owocowe, myszy, małpy, oraz u ludzi.

Następnie badacze nauczyli się produkować własne gRNA i w ten sposób dostaliśmy do rąk niesamowicie precyzyjne i tanie narzędzie do wycinania określonych genów i zastępowania ich innymi.

CRISPR może działać równocześnie w kilku miejscach na nici DNA. Można więc określić wzorzec początkowy i końcowy fragmentu do modyfikacji, wyciąć go i wstawić nowy.

Wystarczy przygotować odpowiednie wzorce gRNA i wprowadzić je do organizmu, a odpowiednie enzymy namierzą właściwe miejsce na DNA, wytną czego nie chcemy i wprowadzą to, co chcemy.

Zastosowanie CRISPR

Zwolennicy CRISPR przekonują, że dzięki tej technologii będziemy mogli budować organizmy na zamówienie o takich własnościach, jakich potrzebujemy. Możemy stworzyć bakterie produkujące paliwo lub materiały. Możemy mieć rośliny odporne na choroby lub dające większe plony.

Możemy także zabrać za skuteczniejsze leczenie chorób genetycznych. Jeżeli wiemy, że dziecko urodzi się z konkretną wadą genetyczną i wiemy, które geny są za nie odpowiedzialne, to możemy naprawić DNA dziecka zanim wada stanie się śmiertelnym zagrożeniem.

Kontrowersje

We wstępnie wspomniałem, że CRISPR budzi skrajne emocje. Jest to technologia, która stanie tuż obok sztucznej inteligencji, automatyzacji i zabójczych dronów jako ten demon, który przyniesie zgubę ludzkości. Spodziewajcie się więc, że będziecie coraz częściej spotykali artykuły o CRISPR.

Przeciwnicy CRISPR argumentują, że jest to narzędzie o potężnej mocy, dzięki któremu dosłownie przejmujemy kontrolę nad życiem. Dla wielu już sama władza tego typu jest nie do zaakceptowania. Inni z kolei przytaczają konkretne przykłady zastosowania tej technologii i pytają się, czy jest ona etyczna.

Dzieci na zamówienie

Dzięki CRISPR możliwa będzie dużo łatwiejsza modyfikacja ludzkiego DNA. Owszem, można dzięki CRISPR wyleczyć nienarodzone jeszcze dziecko z wielu chorób genetycznych, ale równie dobrze może być wykorzystane do „zbudowania” dziecka na zamówienie. Problem designer babies przywołuje na myśl eugenikę i zabawę w boga, co jest sporym problemem dla wielu ludzi, szczególnie w Zachodniej kulturze.

Podobnie jak kwestia zabójczych dronów i automatyzacji w przypadku robotyki i sztucznej inteligencji, która jest standardowym tematem przeciwników AI, tak samo kwestia designer babies będzie tym głównym argumentem przeciwko CRISPR. Dla niektórych ingerowanie w ludzkie DNA jest o jeden krok za daleko i zacznyna im to pachnąć eugeniką.

Jako przykład podam fakt, że kilka tygodni temu w Wielkiej Brytanii szeroko dyskutowanym tematem była informacja o tym, że pierwsze zmodyfikowane genetycznie dziecko może się urodzić w UK w ciągu kilkunastu najbliższych tygodni. Ta informacja została przyjęta negatywnie. Podobnie jak informacja z zeszłego roku, kiedy to chińskim naukowcom udało się zmodyfikować ludzki embrion. Też wielu ludziom się to nie spodobało.

Nieobliczalność

Gdy odsuniemy na bok wszelkie kwestie etyczne, to pozostanie nam problem, z którym boryka się inżyniera genetyczna od dłuższego czasu – nieobliczalność. Bardzo trudno jest przewidzieć jak natura zareaguje na zupełnie nowy organizm ani jak ten organizm dostosuje się do nowych warunków. CRISPR, dzięki swojej prostocie, może ten problem spotęgować.


Czas pokaże co wyniknie z zastosowań CRISPR. Zaczynają się już pojawiać firmy, które oferują usługi i produkty oparte na CRISPR, i coraz więcej inwestorów zaczyna inwestować w startupy związane z biotechnologią.

Prawdopodobnie zobaczymy w najbliższych latach mnóstwo firm biotechnologicznych eksperymentujących z CRISPR i jego zastosowaniami z jednej strony oraz z jego przeciwnikami organizującymi różnego rodzaju komitety i organizacje na rzecz regulacji inżynierii genetycznej z drugiej.

Którąkolwiek stronę wybierzecie musicie się zgodzić, że CRISPR ma potencjał, aby zmienić świat i nasze życie nie do poznania.

Podobne wpisy

  • ToJa

    Ciekawy artykuł. Pisz tak dalej!