Από το μικρότερο μονοκύτταρο οργανισμό μέχρι τα μεγαλύτερα πλάσματα στη γη, κάθε ζωντανός οργανισμός καθορίζεται από τα γονίδια του. Το DNA που περιέχεται στα γονίδια μας λειτουργεί σαν ένα εγχειρίδιο οδηγιών για τα κύτταρα μας. Τέσσερις δομικές μονάδες που ονομάζονται βάσεις συσσωρεύονται σε ακριβείς ακολουθίες, οι οποίες λένε στο κύτταρο πώς να συμπεριφέρεται και αποτελούν τη βάση για κάθε μας χαρακτηριστικό. Αλλά με τις πρόσφατες εξελίξεις στα εργαλεία επεξεργασίας γονιδίων, οι επιστήμονες μπορούν να αλλάξουν τα βασικά χαρακτηριστικά ενός οργανισμού σε χρόνο ρεκόρ. Μπορούν να σχεδιάσουν καλλιέργειες ανθεκτικές στην ξηρασία και να δημιουργήσουν μήλα που δεν χαλάνε. Μπορεί ακόμη να αποτρέψουν την εξάπλωση μολυσματικών ασθενειών και να αναπτύξουν θεραπείες για γενετικές ασθένειες. Το CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) είναι το ταχύτερο, ευκολότερο και φθηνότερο από τα εργαλεία επεξεργασίας γονιδίων που είναι υπεύθυνα για αυτό το νέο τομέα της επιστήμης. Αλλά από πού προέρχεται αυτό το ιατρικό θαύμα; Πώς λειτουργεί; Και τι μπορεί να κάνει;
Παραδόξως, το CRISPR είναι στην πραγματικότητα μια φυσική διαδικασία που λειτουργεί εδώ και καιρό ως βακτηριακό ανοσοποιητικό σύστημα. Αρχικά βρέθηκε να υπερασπίζεται τα μονοκύτταρα βακτήρια και τα αρχαιοβακτήρια ενάντια στους εισβολείς. Oι φυσικοί CRISPR μηχανισμοί χρησιμοποιούν δύο βασικά συστατικά. Τα πρώτα είναι σύντομα αποσπάσματα επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών DNA ή απλά CRISPRs. Το δεύτερο είναι οι Cas (CRISPR associated proteins) ή οι “CRISPR-σχετικές” πρωτεΐνες που κόβουν το DNA όπως το μοριακό ψαλίδι. Όταν ένας ιός εισβάλλει σε ένα βακτήριο, οι πρωτεΐνες Cas κόβουν ένα τμήμα του ιΐκού DNA για να το ράψουν στη συνέχεια μέσα στην περιοχή CRISPR του βακτηρίου, καταγράφοντας ένα χημικό στιγμιότυπο της λοίμωξης. Αυτά τα μικρά κομμένα τμήματα του ιΐκού DNA μεταγράφονται σε μικρά κομμάτια RNA. Το RNA παίζει πολλούς ρόλους στα κύτταρα μας, αλλά στην περίπτωση του CRISPR, το RNA δεσμεύεται με μια ειδική πρωτεΐνη που ονομάζεται Cas9. Τα προκύπτοντα σύμπλοκα ιΐκού RNA-Cas9 δρουν σαν ανιχνευτές του ιΐκού DNA. Αν ο ιός εισβάλει ξανά, το σύμπλεγμα τον αναγνωρίζει αμέσως και το Cas9 καταστρέφει γρήγορα το ιογενές DΝΑ.
Πολλά βακτήρια έχουν αυτόν τον τύπο αμυντικού μηχανισμού. Αλλά το 2012, οι επιστήμονες κατάλαβα πώς να μπορούν να χρησιμοποιήσουν το CRISPR για να στοχεύσουν όχι μόνο στο ιϊκό DNA, αλλά σε οποιοδήποτε DNA από σχεδόν οποιοδήποτε οργανισμό. Με τα κατάλληλα εργαλεία, αυτό το αντιΐκό ανοσοποιητικό σύστημα γίνεται ένα ακριβές εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων, το οποίο μπορεί να μεταβάλει το DNA και να αλλάξει συγκεκριμένα γονίδια σχεδόν εξίσου εύκολα με τον τρόπο που επεξεργαζόμαστε τυπογραφικά ένα κείμενο.
Να πώς λειτουργεί στο εργαστήριο: οι επιστήμονες σχεδιάζουν έναν “οδηγό” RNA που να ταιριάζει με το γονίδιο που θέλουν να επεξεργαστούν και να του επισυνάψουν το Cas9. Όπως το ιικό RNA στο ανοσοποιητικό σύστημα CRISPR, το κατευθυνόμενο RNA κατευθύνει το Cas9 στο γονίδιο στόχο και σαν μοριακό ψαλίδι κόβει το DNA. Αυτό είναι το κλειδί για τη δύναμη του CRISPR: απλά με την έγχυση του Cas9 που συνδέεται με ένα μικρό κομμάτι του προσαρμοσμένου οδηγού RNA επιστήμονες μπορούν να επεξεργαστούν σχεδόν οποιοδήποτε γονίδιο στο γονιδίωμα.
Μόλις κοπεί το DNA, το κύτταρο θα προσπαθήσει να το επισκευάσει. Τυπικά, πρωτεΐνες που ονομάζονται νουκλεάσες κόβουν τα σπασμένα άκρα και τα συνδυάζουν ξανά. Αλλά αυτός ο τύπος διαδικασίας επιδιόρθωσης, που ονομάζεται μη ομόλογη ένωση άκρων, είναι επιρρεπής σε λάθη και μπορεί να οδηγήσει σε επιπλέον ή λιγότερες αζωτούχες βάσεις. Το προκύπτον γονίδιο είναι συχνά ακατάλληλο και απενεργοποιημένο. Ωστόσο, εάν οι επιστήμονες προσθέσουν μια ξεχωριστή αλληλουχία DNA προτύπου μέσα στο «κοκτέιλ» CRISPR, οι κυτταρικές πρωτεΐνες μπορούν να εκτελέσουν μια διαφορετική διαδικασία επιδιόρθωσης DNA, που ονομάζεται επισκευή κατευθυνόμενη με ομολογία. Αυτό το πρότυπο DNA χρησιμοποιείται ως υπόδειγμα για την καθοδήγηση της διαδικασίας ανοικοδόμησης, την αποκατάσταση ενός ελαττωματικού γονιδίου ή ακόμη και την εισαγωγή ενός εντελώς νέου.
Η δυνατότητα να διορθωθούν τα σφάλματα του DNA σημαίνει ότι το CRISPR θα μπορούσε ενδεχομένως να δημιουργήσει νέες θεραπείες για ασθένειες που συνδέονται με συγκεκριμένα γενετικά σφάλματα, όπως η κυστική ίνωση ή η δρεπανοκυτταρική αναιμία. Και επειδή δεν περιορίζεται στους ανθρώπους, οι εφαρμογές είναι σχεδόν ατελείωτες. Το CRISPR θα μπορούσε να δημιουργήσει φυτά που παράγουν μεγαλύτερους καρπούς, κουνούπια που δεν μπορούν να μεταδώσουν ελονοσία ή ακόμη να επαναπρογραμματίσουν καρκινικά κύτταρα ανθεκτικά στα φάρμακα. Είναι επίσης ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη του γονιδιώματος, επιτρέποντας στους επιστήμονες να παρακολουθούν τι συμβαίνει όταν τα γονίδια απενεργοποιούνται ή αλλάζονται μέσα σε έναν οργανισμό.
Το CRISPR δεν είναι ακόμα τέλειο. Δεν κάνει πάντοτε μόνο τις προβλεπόμενες αλλαγές και δεδομένου ότι είναι δύσκολο να προβλεφθούν οι μακροπρόθεσμες συνέπειες μιας επεξεργασίας CRISPR, η τεχνολογία αυτή εγείρει μεγάλα ηθικά ζητήματα, καθώς δεν αφορά πλέον τους μονοκύτταρους οργανισμούς αλλά έχει ήδη αρχίσει να χρησιμοποιείται σε ερευνητικά εργαστήρια, αγροκτήματα ή νοσοκομεία σε όλο τον κόσμο.