En av de senaste årens största och viktigaste vetenskapshistorier kommer förmodligen också att vara en av de största vetenskapshistorierna under de kommande åren. Så detta är ett lika bra tillfälle som något annat att bekanta sig med den kraftfulla nya genredigeringsteknik som kallas CRISPR.
Om du inte har hört talas om CRISPR än så går den korta förklaringen till så här: Under de senaste nio åren har forskarna kommit på hur man kan utnyttja en egenhet i bakteriers immunsystem för att redigera gener i andra organismer – växter, möss och till och med människor. Med CRISPR kan de nu göra dessa ändringar snabbt och billigt, på dagar i stället för veckor eller månader. (Tekniken kallas ofta CRISPR/Cas9, men vi håller oss till CRISPR, som uttalas ”crisper”.)
Vi talar om ett kraftfullt nytt verktyg för att styra vilka gener som uttrycks i växter, djur och till och med i människor; förmågan att radera oönskade egenskaper och, potentiellt, lägga till önskvärda egenskaper med större precision än någonsin tidigare.
För närvarande har forskare använt det för att minska svårighetsgraden av genetisk dövhet hos möss, vilket tyder på att det en dag skulle kunna användas för att behandla samma typ av hörselnedsättning hos människor. De har skapat svampar som inte lätt blir bruna och redigerat benmärgsceller i möss för att behandla sicklecellanemi. I framtiden kan CRISPR hjälpa oss att utveckla torktoleranta grödor och skapa nya kraftfulla antibiotika. CRISPR kan en dag till och med göra det möjligt för oss att utrota hela populationer av malariaspridande myggor eller återuppliva arter som en gång var utdöda, till exempel passagerarduvan.
Ett stort bekymmer är att CRISPR visserligen är relativt enkelt och kraftfullt, men att det inte är perfekt. Forskare har nyligen lärt sig att metoden för genredigering oavsiktligt kan utplåna och omorganisera stora delar av DNA på ett sätt som kan äventyra människors hälsa. Detta följer på nya studier som visar att CRISPR-redigerade celler oavsiktligt kan utlösa cancer. Därför hävdar många forskare att experiment på människor är för tidigt: Riskerna och osäkerheterna kring CRISPR-modifiering är extremt höga.
I detta avseende kom 2018 med chockerande nyheter: I november rapporterade en forskare i Kina, He Jiankui, att han hade skapat världens första människobarn med CRISPR-redigerade gener: ett par tvillingflickor som var resistenta mot hiv.
Detta tillkännagivande gjorde forskare runt om i världen förbluffade. Chefen för National Institutes of Health, Francis Collins, sade att experimentet var ”djupt störande och trampar på etiska normer”.
Det skapade också fler frågor än det besvarade: Lyckades Jiankui verkligen genomföra det? Förtjänar han beröm eller fördömande? Behöver vi bromsa CRISPR-forskningen?
Oavsett att oberoende forskare ännu inte har bekräftat att Jiankui lyckades finns det andra CRISPR-tillämpningar som är nära att förverkligas, från nya sjukdomsterapier till nya taktiker för att bekämpa malaria. Så här är en grundläggande guide till vad CRISPR är och vad det kan göra.
Vad fan är CRISPR egentligen?
Om vi vill förstå CRISPR bör vi gå tillbaka till 1987, då japanska forskare som studerade E. coli-bakterier för första gången stötte på några ovanliga repeterande sekvenser i organismens DNA. ”Den biologiska betydelsen av dessa sekvenser”, skrev de, ”är okänd”. Med tiden hittade andra forskare liknande kluster i andra bakteriers (och arkéers) DNA. De gav dessa sekvenser ett namn: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – eller CRISPR.
Men funktionen hos dessa CRISPR-sekvenser var mestadels ett mysterium fram till 2007, då livsmedelsforskare som studerade Streptococcus-bakterier som används för att tillverka yoghurt visade att dessa märkliga kluster faktiskt hade en viktig funktion: De är en del av bakteriens immunförsvar.
Bakterier är ständigt utsatta för angrepp från virus, så de producerar enzymer för att bekämpa virusinfektioner. När en bakteries enzymer lyckas döda ett invaderande virus kommer andra små enzymer, som tar upp resterna av virusets genetiska kod och skär den i små bitar. Enzymerna lagrar sedan dessa fragment i CRISPR-utrymmen i bakteriens egen arvsmassa.
Nu kommer den smarta delen: CRISPR-utrymmena fungerar som ett galleri för virus, och bakterierna använder den genetiska informationen som lagras i dessa utrymmen för att avvärja framtida attacker. När en ny virusinfektion inträffar producerar bakterierna särskilda angreppsenzymer, så kallade Cas9, som bär runt på de lagrade bitarna av virusets genetiska kod som en mugshot. När dessa Cas9-enzymer stöter på ett virus ser de om virusets RNA stämmer överens med det som finns i mugshotet. Om det finns en matchning börjar Cas9-enzymet att hugga upp virusets DNA för att neutralisera hotet. Det ser lite så här ut:
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7725763/crispr_bg.jpg)
Det är alltså vad CRISPR/Cas9 gör. Under en tid var dessa upptäckter inte särskilt intressanta för någon annan än mikrobiologer – tills en rad ytterligare genombrott inträffade.
Hur revolutionerade CRISPR genredigering?
Under 2011 funderade Jennifer Doudna vid University of California Berkeley och Emmanuelle Charpentier vid Umeå universitet i Sverige på hur CRISPR/Cas9-systemet egentligen fungerade. Hur matchade Cas9-enzymet RNA:et i muggarna med RNA:et i virusen? Hur visste enzymet när det skulle börja hugga?
Forskarna upptäckte snart att de kunde ”lura” Cas9-proteinet genom att mata det med artificiellt RNA – en falsk mugshot. När de gjorde det sökte enzymet efter allt med samma kod, inte bara virus, och började hugga. I en banbrytande artikel från 2012 visade Doudna, Charpentier och Martin Jinek att de kunde använda CRISPR/Cas9-systemet för att skära upp vilket genom som helst på vilken plats som helst.
Tekniken hade visserligen bara demonstrerats på molekyler i provrör vid det tillfället, men konsekvenserna var hisnande.
Fler framsteg följde. Feng Zhang, forskare vid Broad Institute i Boston, var medförfattare till en artikel i Science i februari 2013 som visade att CRISPR/Cas9 kunde användas för att redigera genomet i odlade musceller eller mänskliga celler. I samma nummer av Science visade George Church från Harvard och hans team hur en annan CRISPR-teknik kunde användas för att redigera mänskliga celler.
Sedan dess har forskarna upptäckt att CRISPR/Cas9 är otroligt mångsidigt. Forskarna kan inte bara använda CRISPR för att ”tysta” gener genom att klippa bort dem, de kan också använda reparationsenzymer för att ersätta önskade gener i det ”hål” som lämnats av klipparna (även om den sistnämnda tekniken är svårare att genomföra). Forskarna kan till exempel be Cas9-enzymet att ta bort en gen som orsakar Huntingtons sjukdom och sätta in en ”bra” gen i stället.
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7724917/Artboard_1.jpg)
Genredigering i sig självt är inte nytt. Olika tekniker för att slå ut gener har funnits i flera år. Det som gör CRISPR så revolutionerande är att det är så exakt: Cas9-enzymet går oftast dit du säger åt det att gå. Och det är otroligt billigt och enkelt: Tidigare kunde det ha kostat tusentals dollar och veckor eller månader av fifflande för att ändra en gen. Nu kostar det kanske bara 75 dollar och tar bara några timmar. Och tekniken har fungerat på alla organismer som den har prövats på.
Det är nu ett av de hetaste områdena som finns. År 2011 fanns det färre än 100 publicerade artiklar om CRISPR. År 2018 fanns det mer än 17 000 och fler, med förfiningar av CRISPR, nya tekniker för att manipulera gener, förbättringar av precisionen och mycket mer. ”Det här har blivit ett så snabbt föränderligt område att jag till och med har svårt att hänga med nu”, säger Doudna. ”Vi är på väg mot en punkt där effektiviteten i genredigeringen ligger på nivåer som helt klart kommer att vara användbara både terapeutiskt och i ett stort antal andra tillämpningar.”
Det har också varit en intensiv rättslig strid om vem som exakt ska få äran för CRISPR-tekniken och vem som äger de potentiellt lukrativa rättigheterna. Var det Doudnas artikel från 2012 vid University of California Berkeley som var genombrottet, eller var det Zhangs forskning från 2013 vid Broad Institute som var det avgörande framsteget? I september avvisade en federal appellationsdomstol University of California Berkeleys argument om att skolan har exklusiva rättigheter till CRISPR-patent och bekräftade Broad Institutes patent på vissa CRISPR-tillämpningar.
Men det viktiga är att CRISPR har anlänt.
Så vad kan vi använda CRISPR till?
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7220933/_81557950.jpg)
Så. Många. Saker.
Paul Knoepfler, docent vid UC Davis School of Medicine, sa till Vox att CRISPR får honom att känna sig som ett ”barn i en godisbutik”.
På den mest grundläggande nivån kan CRISPR göra det mycket lättare för forskare att ta reda på vad olika gener i olika organismer faktiskt gör – till exempel genom att slå ut enskilda gener och se vilka egenskaper som påverkas. Detta är viktigt: Även om vi har haft en fullständig ”karta” över människans arvsmassa sedan 2003 vet vi inte riktigt vilken funktion alla dessa gener har. CRISPR kan bidra till att påskynda genomsökningen, och genetikforskningen skulle kunna göra stora framsteg som ett resultat av detta.
Forskare har också upptäckt att det finns många CRISPR. Så CRISPR är faktiskt ett ganska brett begrepp. ”Det är som termen ’frukt’ – den beskriver en hel kategori”, säger Zhang från Broad. När människor talar om CRISPR syftar de vanligtvis på CRISPR/Cas9-systemet som vi har talat om här. Men på senare år har forskare som Zhang hittat andra typer av CRISPR-proteiner som också fungerar som genredigerare. Cas13, till exempel, kan redigera DNA:s syster, RNA. ”Cas9 och Cas13 är som äpplen och bananer”, tillade Zhang.
Det riktigt roliga – och potentiellt de verkliga riskerna – kan komma när CRISPR används för att redigera olika växter och djur. I en artikel från 2016 i Nature Biotechnology av Rodolphe Barrangou och Doudna listas en mängd potentiella framtida tillämpningar:
1) Redigera grödor så att de blir mer näringsrika: Växtforskare försöker redan använda CRISPR för att redigera generna i olika grödor för att göra dem godare, mer näringsrika eller bättre på att överleva värme och stress. De skulle kunna använda CRISPR för att ta bort allergenerna i jordnötter. Koreanska forskare undersöker om CRISPR kan hjälpa bananer att överleva en dödlig svampsjukdom. Vissa forskare har visat att CRISPR kan skapa hornlösa mjölkkor – ett stort framsteg för djurens välbefinnande.
Under senare tid har stora företag som Monsanto och DuPont börjat licensiera CRISPR-teknik i hopp om att kunna utveckla nya värdefulla grödor. Även om denna teknik inte helt och hållet kommer att ersätta traditionella GMO-tekniker, som kan överföra gener från en organism till en annan, är CRISPR ett mångsidigt nytt verktyg som kan bidra till att identifiera gener som är förknippade med önskade egenskaper hos grödor mycket snabbare. Det kan också göra det möjligt för forskare att föra in önskade egenskaper i grödor mer exakt än traditionell förädling, som är ett mycket mer rörigt sätt att byta ut gener.
”Med genomredigering kan vi absolut göra saker som vi inte kunde göra tidigare”, säger Pamela Ronald, en växtgenetiker vid University of California Davis. Hon varnar dock för att det bara är ett av många verktyg för modifiering av grödor som finns – och att det fortfarande kan ta flera år att testa nya sorter.
Det är också möjligt att de nya verktygen kan leda till kontroverser. Livsmedel som har fått några få gener utslagna via CRISPR regleras för närvarande lättare än traditionella genetiskt modifierade organismer. Politiker i Washington DC diskuterar för närvarande om det kan vara klokt att ompröva reglerna här. Denna artikel för Ensia av Maywa Montenegro fördjupar sig i några av de debatter som CRISPR väcker inom jordbruket.
2) Nya verktyg för att stoppa genetiska sjukdomar: Forskare använder nu CRISPR/Cas9 för att redigera det mänskliga genomet och försöka slå ut genetiska sjukdomar som hypertrofisk kardiomyopati. De tittar också på att använda det på mutationer som orsakar Huntingtons sjukdom eller cystisk fibros, och talar om att prova det på BRCA-1- och 2-mutationer som är kopplade till bröst- och äggstockscancer. Forskarna har till och med visat att CRISPR kan slå ut hiv-infektioner ur T-celler.
För närvarande har forskarna dock bara testat detta på celler i laboratoriet. Det finns fortfarande några hinder att övervinna innan någon påbörjar kliniska försök på riktiga människor. Cas9-enzymerna kan till exempel ibland ”slå fel” och redigera DNA på oväntade ställen, vilket i mänskliga celler kan leda till cancer eller till och med skapa nya sjukdomar. Genetikern Allan Bradley från Wellcome Sanger Institute i England sa till STAT att CRISPR:s förmåga att orsaka förödelse på DNA har ”allvarligt underskattats”.
Och även om det har gjorts stora framsteg när det gäller att förbättra CRISPR-precisionen och minska dessa effekter som inte är riktade mot måltavlor, uppmanar forskarna till försiktighet när det gäller tester på människor. Det är en stor anledning till att Jiankuis experiment med att producera människobarn med CRISPR-redigerade genomer är så kontroversiella och alarmerande. Forskare som undersökte de få resultat som Jiankui offentligt avslöjade sade att resultaten visade att bebisarnas gener inte redigerades exakt. Det finns också mycket arbete kvar att göra för att faktiskt leverera redigeringsmolekylerna till särskilda celler – en stor utmaning framöver.
3) Kraftfulla nya antibiotika och antivirala läkemedel: En av de mest skrämmande fakta på folkhälsoområdet är att vi börjar få ont om effektiva antibiotika eftersom bakterier utvecklar resistens mot dem. För närvarande är det svårt och kostsamt att utveckla nya antibiotika för dödliga infektioner. Men CRISPR/Cas9-system skulle i teorin kunna utvecklas för att utrota vissa bakterier mer exakt än någonsin tidigare (även om det återigen kommer att vara en utmaning att hitta utförande mekanismer). Andra forskare arbetar med CRISPR-system som riktar sig mot virus som hiv och herpes.
4) Genmotorer som skulle kunna förändra hela arter: Forskare har också visat att CRISPR i teorin skulle kunna användas för att ändra inte bara en enskild organism utan en hel art. Det är ett oroväckande koncept som kallas ”gene drive”.
Det fungerar så här: När en organism som en fruktfluga parar sig finns det normalt en 50-50 chans att den kommer att föra en viss gen vidare till sin avkomma. Men med hjälp av CRISPR kan forskarna ändra dessa odds så att det finns en nästan 100-procentig chans att en viss gen förs vidare. Med hjälp av denna genstyrning kan forskarna se till att en förändrad gen sprids i en hel population på kort tid:
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7724927/Artboard_3.jpg)
Med hjälp av den här tekniken kan forskarna till exempel genetiskt modifiera myggor så att de bara producerar manlig avkomma – och sedan använda en genmotor för att driva igenom den egenskapen i en hel population. Med tiden skulle populationen dö ut. ”Eller så kan man bara lägga till en gen som gör dem resistenta mot malariaparasiten, vilket förhindrar att den överförs till människor”, förklarar Dylan Matthews från Vox i sin artikel om CRISPR-genenergidrivning för malaria.
Det finns också hinder att övervinna innan tekniken kan spridas i stor skala – och inte nödvändigtvis de som man kan förvänta sig. ”Problemet med gendrivning för malaria håller snabbt på att bli ett problem med politik och styrning mer än det är ett biologiskt problem”, skriver Matthews. Tillsynsmyndigheter kommer att behöva ta reda på hur de ska hantera denna teknik, och etiker kommer att behöva ta itu med svåra frågor om dess rättvisa.
5) Skapa ”designerbebisar”: Detta är den fråga som får mest uppmärksamhet, och det med rätta. Det är inte helt långsökt att tro att vi en dag skulle kunna vara tillräckligt säkra på CRISPR:s säkerhet för att använda det för att redigera det mänskliga genomet – för att eliminera sjukdomar eller för att selektera för atletisk förmåga eller överlägsen intelligens.
Men Jiankuis senaste försök att införa skydd mot hiv i embryon som är avsedda för graviditet, som innefattade lite tillsyn, är inte så som de flesta vetenskapsmän vill att fältet ska utvecklas.
Oroblematiken är att det inte finns tillräckligt med skyddsåtgärder ännu för att förhindra skada eller tillräckligt med kunskap för att göra definitivt nytta. I Jiankuis fall berättade han inte heller för sitt universitet om sitt experiment i förväg, han informerade troligen inte föräldrarna till de modifierade barnen fullt ut om riskerna och han kan ha haft ett ekonomiskt incitament från sina två närstående bioteknikföretag.
Vi är inte ens i närheten av den punkt där forskarna på ett säkert sätt skulle kunna göra de komplexa förändringar som krävs för att till exempel förbättra intelligensen, delvis på grund av att det handlar om så många gener. Så börja inte drömma om Gattaca ännu.
”Jag tror att verkligheten är att vi ännu inte förstår tillräckligt mycket om det mänskliga genomet, hur gener interagerar, vilka gener som ger upphov till vissa egenskaper, i de flesta fall, för att möjliggöra redigering för förbättring i dag”, sade Doudna 2015. Ändå tillade hon: ”Det kommer att förändras med tiden.”
Vänta, ska vi verkligen skapa designerbebisar?
/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/7220099/_299699342.jpg)
Med tanke på alla de känsliga frågor som är förknippade med genredigering, förespråkar många forskare en långsam strategi här. De försöker också hålla samtalet om denna teknik öppet och transparent, bygga upp allmänhetens förtroende och undvika några av de misstag som gjordes med genetiskt modifierade organismer. Men med CRISPR:s användarvänlighet och låga kostnader är det en utmaning att hålla oseriösa experiment i schack.
I februari 2017 sade en rapport från National Academy of Sciences att kliniska försök skulle kunna få grönt ljus i framtiden ”för allvarliga tillstånd under sträng övervakning”. Men den klargjorde också att ”genome editing for enhancement should not be allowed at this time.”
Samhället måste fortfarande brottas med alla de etiska överväganden som spelar in här. Om vi till exempel redigerar en könscell skulle framtida generationer inte kunna välja bort detta. Genetiska förändringar kan vara svåra att ångra. Till och med detta ställningstagande har oroat vissa forskare, som Francis Collins från National Institutes of Health, som har sagt att den amerikanska regeringen inte kommer att finansiera någon genomisk redigering av mänskliga embryon.
Under tiden går forskare i USA som kan trumma ihop egen finansiering, tillsammans med andra i Storbritannien, Sverige och Kina, vidare med sina egna experiment.
Fortsatt läsning
- Julia Belluz diskuterade konsekvenserna He Jiankuis häpnadsväckande tillkännagivande om människobarn med redigerade genomer och utsikterna CRISPR-kliniker i USA.
- Vi rapporterade också om två CRISPR-verktyg som övervinner de mest skrämmande delarna av genredigering.
- Ezra Klein intervjuade Jennifer Doudna från UC Berkeley, en av de ledande CRISPR-forskarna, i sin podcast i oktober.
- Michael Specters ”Rewriting the Code of Life” i New Yorker.
- Carl Zimmer har varit med på CRISPR-slaget under lång tid. Hans artikel från 2015 i Quanta är väl värd att läsa.
- Sharon Begley har också varit med om CRISPR och packade nyligen upp de senaste studierna om potentiella skador av genredigering.
- I 2016 utforskade Nature några av de subtila begränsningarna av CRISPR – och sökandet efter ytterligare verktyg för genredigering. Och denna tidigare Nature-artikel av Heidi Ledford är en härligt skruvad dykning i de sätt på vilka forskare skulle kunna använda CRISPR för att utforska genomet. Det är också värt att kolla in detta dokument som listar alla framtida tillämpningar av CRISPR.
Miljontals människor vänder sig till Vox för att förstå vad som händer i nyheterna. Vårt uppdrag har aldrig varit viktigare än i detta ögonblick: att ge makt genom förståelse. Ekonomiska bidrag från våra läsare är en viktig del av stödet till vårt resurskrävande arbete och hjälper oss att hålla vår journalistik gratis för alla. Hjälp oss att hålla vårt arbete fritt för alla genom att ge ett ekonomiskt bidrag från så lite som 3 dollar.