Ce este CRISPR, tehnologia de editare a genelor pentru care s-a acordat premiul Nobel în acest an?

Academia Regală Suedeză de Științe a acordat Premiul Nobel pentru chimie pe anul 2020 lui Emmanuelle Charpentier și Jennifer Doudna pentru contribuţia lor în dezvoltarea CRISPR, o metodă de editare a genomului.

Genomul este setul complet de „instrucțiuni” genetice care determină modul cum se va dezvolta un organism.

Folosind CRISPR, cercetătorii pot tăia ADN-ul din genomul unui organism și pot modifica secvența acestuia.

Tehnologia CRISPR este un „motor” pentru cercetarea de bază și schimbă lumea în care trăim. Există mii de lucrări de cercetare, publicate în fiecare an, despre diferitele sale aplicații.

Printre acestea se numără cercetarea cancerului, a bolilor mintale, a potențialelor transplanturi de organe de la om la om, creşterea producției de alimente, eliminarea țânțarilor purtători de malarie și protejarea animalelor în faţa bolilor.

Charpentier este director la Institutul Max Planck pentru Biologia Infecțiilor din Berlin, Germania, iar Doudna este profesor la Universitatea din California, Berkeley. Ambele cercetătoare au avut un rol crucial în demonstrarea modului în care CRISPR ar putea fi utilizată pentru a viza secvențe ADN de interes.

Profitând de imunitatea bacteriană

Tehnologia CRISPR este adaptată de la un sistem care este prezent, în mod natural, în bacterii și alte organisme unicelulare cunoscute sub numele de archaea.

Acest sistem natural le conferă bacteriilor o formă de imunitate dobândită. Practic, le protejează de elemente genetice străine (cum ar fi invazia virusurilor) și le permite să-și „amintească” de acestea în cazul în care reapar.

La fel ca majoritatea progreselor din știința modernă, descoperirea CRISPR și apariția sa ca metodă cheie de editare a genomului au implicat eforturi ale multor cercetători de-a lungul mai multor decenii.

În anul 1987, biologul japonez Yoshizumi Ishino și colegii săi au fost primii care au observat în bacteriile E. coli grupuri neobișnuite de secvențe repetate de ADN întrerupte de secvențe scurte.

Biologul spaniol Francisco Mojica și colegii săi au arătat mai târziu că structuri similare sunt prezente şi în alte organisme și au propus să le numim CRISPR (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats).

În anul 2005, Mojica și alte echipe de cercetători au anunţat că secvențele scurte („distanțiere”), care întrerupeau secvenţele care se repetă, au fost derivate din ADN aparținând virusurilor.

Biologii Kira Makarova, Eugene Koonin și colegii săi au sugerat, în cele din urmă, că CRISPR și genele Cas9 asociate acționează ca un mecanism imunitar. Acest lucru a fost confirmat experimental în anul 2007 de către Rodolphe Barrangou și colegii săi.

Un sistem programabil

Genele asociate CRISPR, Cas9, codifică o proteină care ”taie” ADN-ul. Aceasta este partea activă a apărării împotriva virusurilor, deoarece distruge ADN-ul invadator.

În anul 2012, Charpentier și Doudna au arătat că „distanțierele” au acționat ca markeri care au ghidat unde Cas9 taie ADN-ul. De asemenea, specialistele în genetică au arătat că un sistem artificial Cas9 ar putea fi programat pentru a viza orice secvență de ADN în condiţii de laborator.

Aceasta a fost o descoperire inovatoare care a deschis o nouă perspectivă privind aplicațiile CRISPR în cercetare.

În anul 2013, pentru prima dată, cercetătorii conduşi de biochimistul american Feng Zhang și geneticianul George Church au anunţat editarea genomului în culturile de celule umane folosind CRISPR-Cas9. De atunci această tehnică a fost folosită în nenumărate organisme de la drojdie, la vaci, plante și corali.

Astăzi, CRISPR este instrumentul preferat de editare a genelor pentru mii de cercetători.

Jennifer A. Doudna și Emmanuelle Charpentier au câştigat Premiul Nobel pentru chimie pe anul 2020

O revoluție tehnică cu aplicații nesfârșite

Oamenii au modificat genomul speciilor de mii de ani. Inițial, acest lucru a avut loc prin reproducerea selectivă.

Cu toate acestea, ingineria genetică, adică manipularea directă a ADN-ului de către oameni în afara reproducerii și a mutațiilor, există de abia din anii 1970.

Sistemele bazate pe CRISPR au schimbat, în mod fundamental, acest domeniu, deoarece permit modificarea genomului în organisme vii cu ușurință, ieftin și cu o precizie extremă.

CRISPR are în prezent un impact uriaș asupra sănătății. Există studii clinice privind utilizarea sa în cazul bolilor de sânge, cum ar fi anemia falciformă sau beta-talasemia, pentru tratamentul celei mai frecvente cauze de orbire infantilă moștenită (amauroza congenitală Leber) și pentru imunoterapia cancerului.

CRISPR are, de asemenea, un mare potențial în producția de alimente. Poate fi folosită pentru a îmbunătăți calitatea culturilor, randamentul, rezistența la boli și rezistența la erbicide.

Utilizată la animale, poate duce la o mai bună rezistență la boli, la o bunăstare animală sporită și la caracteristici productive îmbunătățite, adică la animale care produc mai multă carne, lapte sau lână de înaltă calitate.

Cu mare putere…

Cu toate acestea, există o serie de provocări pentru această tehnologie. Unele sunt de natură tehnică, cum ar fi riscul modificărilor în afara țintei, atunci când Cas9 taie în locații neintenționate din genom.

Alte probleme sunt de natura etică. CRISPR a fost folosită într-unul dintre cele mai controversate experimente din ultimii ani.

Biofizicianul chinez He Jiankui a încercat, fără succes, să folosească tehnologia CRISPR pentru a modifica embrionii umani și a-i face rezistenți la HIV (virusul imunodeficienței umane). Acest lucru a dus la nașterea gemenilor Lulu și Nana.

Avem nevoie de o reglementare privind utilizarea tehnologiei CRISPR, mai ales având în vedere aplicațiile și potențialul vast al acesteia.

Pentru a-l cita pe Fyodor Urnov, cercetător al CRISPR, munca lui Charpentier și Doudna a „schimbat totul”.

Traducere şi adaptare după What is CRISPR, the gene editing technology that won the Chemistry Nobel prize?