CRISPR

Når en bakterie blir angrepet av virus, kan bakterien spare på biter av virusenes arvestoff i sitt eget DNA og på den måten holde et slags arkiv over inntrengere. Det er denne samlingen som kalles CRISPR. Dersom bakterien på nytt blir angrepet av tilsvarende virus, kopieres det lagrede virus-DNA-et til et RNA-molekyl. Dette RNA-molekylet kan binde seg til en tilsvarende sekvens i DNA-et fra det angripende viruset. Med seg har det også et såkalt Cas-protein (CRISPR-associated protein).

Cas-proteiner finnes i mange varianter, men alle er enzymer som kutter enten DNA eller RNA (ulike former for virusarvestoff). Systemet består dermed av en «gensaks» (Cas-proteinet) som ved hjelp av en «GPS» (RNA-molekylet) finner og kutter en spesifikk sekvens i arvestoffet fra det angripende viruset. Slik kan bakterien avverge virusangrepet. Det er beregnet at om lag halvparten av alle bakteriearter har et CRISPR-system.

Gjennom studier på CRISPR-systemet i bakterier oppdaget forskere at det med noen små justeringer kunne brukes som en «programmerbar gensaks» som målrettet kan kutte og endre enhver DNA- eller RNA-sekvens, i alle celletyper og organismer.

Metoden bygger på samme prinsipp som når bakterier forvarer seg mot virus: et protein som kan kutte DNA (Cas-proteinet) styres til målsekvensen i DNA-et ved hjelp av et RNA-molekyl kalt sgRNA (single-guide RNA). SgRNA er en kunstig, lett modifisert versjon av RNA-molekylet fra bakterier, der sekvensen lages på bestilling. Når komplekset (Cas og sgRNA) har bundet seg til målsekvensen, lager Cas-proteinet et kutt i DNA-et.

Slike brudd (dobbelttrådbrudd) oppstår relativt hyppig i celler, for eksempel som følge av skader fra UV-stråling eller skadelige stoffer, eller når det skjer feil i kopieringen av DNA-et under celledelingen. For å unngå at slike brudd får katastrofale konsekvenser, har cellene utviklet effektive reparasjonssystemer. Ved hjelp av disse reparasjonssystemene kan man inaktivere eller endre genene RNA-et er rettet mot.

Det finnes flere varianter av CRISPR-metoden, avhengig av hvilket Cas-protein som benyttes og hvilke kjemiske modifikasjoner det har. Cas9 fra bakterien Streptococcus pyogenes er foreløpig det mest kjente og brukte Cas-proteinet, og det første som ble brukt i genredigering. I tillegg finnes Cas-proteiner som har andre måter å gjenkjenne målsekvensen på, eller som kutter RNA i stedet for DNA. Det har også blitt laget varianter av Cas-proteiner som ikke kutter arvestoffet i det hele tatt, men som kan øke eller redusere genenes aktivitet (genuttrykk) gjennom såkalte epigenetiske endringer.

CRISPR-metoden har på kort tid fått stor betydning innen en rekke ulike områder, som forskning, medisin, matproduksjon, industriell bioteknologi og naturbevaring.

Fordi CRISPR-metoden har så stort potensial, medfører den også en rekke etiske og samfunnsmessige utfordringer.

Teknologiens enkelhet og tilgjengelighet har forsterket mange av bekymringene knyttet til genmodifisert mat, særlig om risiko for helse og miljø, dersom genredigering av planter og dyr blir utbredt. Andre mener genredigering kan bidra til en mer bærekraftig matproduksjon, og at kostnaden ved å si nei derfor kan være stor.

Når det gjelder genredigering av mennesker, er mange bekymret for at teknologien skal brukes til å forbedre egenskaper som ikke har noe med sykdom å gjøre, som intelligens eller fysisk prestasjonsevne. Et annet spørsmål er om det er etisk forsvarlig å fjerne genfeil før man blir født for å forebygge alvorlig sykdom. Slike endringer vil ikke bare påvirke enkeltindividet, men vil gå i arv til alle etterkommerne, og derfor påvirke vår egen evolusjon. Noen mener vi er etisk forpliktet til å forhindre slike sykdommer hvis vi kan, mens andre frykter at det vil bringe oss betydelig nærmere et sorteringssamfunn der det ikke er plass til alle.

De karakteristiske DNA-sekvensene som senere ble døpt CRISPR ble første gang beskrevet i 1987 da japanske forskere oppdaget dem ved en tilfeldighet under studier av bakterien E.coli. Tidlig på 1990-tallet ble CRISPR-sekvenser identifisert også i andre bakterier, men funksjonen var fortsatt ikke kjent.

Tidlig på 2000-tallet ble det publisert en rekke studier som viste at CRISPR-sekvensene alltid var omgitt av en gruppe gener som kodet for Cas-proteiner. Like etterpå ble det kjent at deler av CRISPR-sekvensene bestod av virus-DNA og annet genetisk materiale som ikke stammet fra bakteriene selv. Slik skjønte forskerne at CRISPR-sekvensene kunne ha en rolle i bakterienes immunforsvar. Hypotesen ble bekreftet i 2007. En serie med studier de neste årene kartla detaljene i hvordan CRISPR/Cas-systemet kutter og ødelegger DNA og RNA fra angripende virus.

De to forskerne Jennifer Doudna fra universitetet i California og Emmanuelle Charpentier, den gang ved universitetet i Umeå, var de første som viste at CRISPR kunne brukes til å lage målrettede endringer i DNA, såkalt genredigering. Funnene, basert på eksperimenter i bakterier, ble publisert i 2012. Virginijus Šikšnys ved universitetet i Vilnius hadde kommet frem til lignende resultater omtrent samtidig. De tre forskerne har mottatt mange utmerkelser for sitt banebrytende arbeid, blant annet Kavliprisen i nanovitenskap fra Det Norske Videnskaps-Akademi i 2018. I 2020 ble de to førstnevnte tildelt Nobelprisen i kjemi for sine bidrag.

I 2013, kun noen måneder etter funnene til Doudna og Charpentier var publisert, viste Feng Zhang fra Massachusetts Institute of Technology og George Church ved Harvard University i hver sin publikasjon at genredigering med CRISPR-metoden også er mulig i celler fra høyerestående organismer som mus og mennesker. Også disse to forskerne har mottatt mange utmerkelser for sine funn.

Senere har det blitt utført tusenvis av studier over hele verden som viser at CRISPR kan brukes til genredigering i organismer fra alle grener av livets tre. Det har i tillegg blitt gjort en rekke metodeforbedringer for å øke effektivitet og presisjon.

• medisinsk genetikk
• medisinsk etikk
• bioteknologi
• bioteknologi – lovgivning
• palindrom – genetikk