Um simples guia do CRISPR, uma das maiores histórias científicas da década

Uma das maiores e mais importantes histórias científicas dos últimos anos será provavelmente também uma das maiores histórias científicas dos próximos anos. Portanto, este é um momento tão bom quanto qualquer outro para se familiarizar com a poderosa nova tecnologia de edição de genes conhecida como CRISPR.

Se você ainda não ouviu falar do CRISPR, a pequena explicação é a seguinte: Nos últimos nove anos, os cientistas descobriram como explorar uma peculiaridade no sistema imunológico das bactérias para editar genes em outros organismos – plantas, ratos, até humanos. Com o CRISPR, eles agora podem fazer essas edições de forma rápida e barata, em dias, em vez de semanas ou meses. (A tecnologia é frequentemente conhecida como CRISPR/Cas9, mas vamos ficar pelo CRISPR, pronunciado “mais crocante”)

Estamos falando de uma nova e poderosa ferramenta para controlar quais genes são expressos em plantas, animais e até humanos; a habilidade de apagar traços indesejáveis e, potencialmente, adicionar traços desejáveis com mais precisão do que nunca.

Até agora os cientistas têm-no usado para reduzir a gravidade da surdez genética em ratos, sugerindo que um dia poderia ser usado para tratar o mesmo tipo de perda auditiva em pessoas. Eles criaram cogumelos que não escurecem facilmente e editaram as células da medula óssea em ratos para tratar a anemia falciforme. Ao longo do caminho, o CRISPR pode ajudar-nos a desenvolver culturas tolerantes à seca e a criar novos antibióticos poderosos. CRISPR pode até permitir-nos um dia eliminar populações inteiras de mosquitos disseminadores da malária ou ressuscitar espécies uma vez extintas como o pombo-passageiro.

Uma grande preocupação é que embora o CRISPR seja relativamente simples e poderoso, não é perfeito. Os cientistas aprenderam recentemente que a abordagem à edição de genes pode inadvertidamente eliminar e reorganizar grandes faixas de DNA de formas que podem pôr em perigo a saúde humana. Isso segue-se a estudos recentes que mostram que células editadas pelo CRISPR podem inadvertidamente desencadear cancro. É por isso que muitos cientistas argumentam que as experiências em humanos são prematuras: Os riscos e incertezas em torno da modificação do CRISPR são extremamente elevados.

Neste cenário, 2018 trouxe notícias chocantes: Em Novembro, um cientista na China, He Jiankui, relatou ter criado os primeiros bebés humanos do mundo com genes CRISPR-editados: um par de gémeas resistentes ao HIV.

O anúncio atordoou os cientistas de todo o mundo. O diretor dos Institutos Nacionais de Saúde, Francis Collins, disse que a experiência foi “profundamente perturbadora e espezinha as normas éticas”.

Também criou mais perguntas do que aquelas a que respondeu: Será que o Jiankui realmente conseguiu? Será que ele merece elogios ou condenação? Será que precisamos de travar a investigação do CRISPR?

Embora investigadores independentes ainda não tenham confirmado que Jiankui foi bem sucedido, existem outras aplicações do CRISPR que estão perto de se concretizar, desde novas terapias para a doença até novas tácticas para combater a malária. Então aqui está um guia básico do que é CRISPR e o que ele pode fazer.

O que diabos é CRISPR, afinal?

Se quisermos entender CRISPR, devemos voltar a 1987, quando cientistas japoneses que estudavam a bactéria E. coli se depararam pela primeira vez com algumas seqüências incomuns de repetição no DNA do organismo. “O significado biológico destas sequências”, escreveram eles, “é desconhecido”. Com o tempo, outros pesquisadores encontraram grupos semelhantes no DNA de outras bactérias (e arquebactérias). Eles deram um nome a estas sequências: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – ou CRISPR.

Yet the function of these CRISPR sequences was mostly a mystery until 2007, when food scientists studying the Streptococcus bacteria used to make iogurt showed that these odd clusters actually served a vital function: Fazem parte do sistema imunitário das bactérias.

p>Veja, as bactérias estão sob constante ataque de vírus, por isso produzem enzimas para combater as infecções virais. Sempre que as enzimas de uma bactéria conseguem matar um vírus invasor, outras pequenas enzimas aparecem, recolhem os restos do código genético do vírus e cortam-no em pedaços minúsculos. As enzimas então armazenam esses fragmentos em espaços CRISPR no próprio genoma da bactéria.p>Agora vem a parte inteligente: Os espaços CRISPR actuam como uma galeria para vírus e as bactérias usam a informação genética armazenada nestes espaços para se defenderem de futuros ataques. Quando uma nova infecção viral ocorre, as bactérias produzem enzimas de ataque especiais, conhecidas como Cas9, que carregam ao redor daqueles pedaços de código genético viral armazenados, como uma injeção de caneca. Quando essas enzimas Cas9 se deparam com um vírus, elas vêem se o RNA do vírus corresponde ao que está na injeção da caneca. Se houver uma correspondência, a enzima Cas9 começa a cortar o ADN do vírus para neutralizar a ameaça. Parece um pouco assim:

Então é isso que o CRISPR/Cas9 faz. Por um tempo, essas descobertas não foram de grande interesse para ninguém, exceto microbiologistas – até que uma série de novos avanços ocorreram.

Como o CRISPR revolucionou a edição genética?

Em 2011, Jennifer Doudna da Universidade da Califórnia Berkeley e Emmanuelle Charpentier da Universidade de Umeå, na Suécia, estavam intrigadas sobre como o sistema CRISPR/Cas9 realmente funcionava. Como a enzima Cas9 combinou o RNA nas fotos da caneca com o RNA nos vírus? Como as enzimas sabiam quando começar a cortar?

Os cientistas logo descobriram que podiam “enganar” a proteína Cas9 alimentando-a com RNA artificial – uma falsa injeção de caneca. Quando faziam isso, a enzima procurava qualquer coisa com esse mesmo código, não apenas vírus, e começava a picar. Em um papel marcante de 2012, Doudna, Charpentier e Martin Jinek mostraram que poderiam usar este sistema CRISPR/Cas9 para cortar qualquer genoma em qualquer lugar que quisessem.

Embora a técnica só tivesse sido demonstrada em moléculas em tubos de ensaio naquele ponto, as implicações eram de tirar o fôlego.

Outros avanços se seguiram. Feng Zhang, um cientista do Broad Institute em Boston, co-autor de um artigo no Science em fevereiro de 2013 mostrando que o CRISPR/Cas9 poderia ser usado para editar os genomas de células cultivadas de camundongos ou células humanas. No mesmo número de Science, George Church de Harvard e sua equipe mostraram como uma técnica diferente do CRISPR poderia ser usada para editar células humanas.

Desde então, pesquisadores descobriram que o CRISPR/Cas9 é surpreendentemente versátil. Os cientistas não só podem usar o CRISPR para “silenciar” os genes, como também podem aproveitar as enzimas reparadoras para substituir os genes desejados no “buraco” deixado pelos snippers (embora esta última técnica seja mais complicada de se conseguir). Assim, por exemplo, os cientistas poderiam dizer à enzima Cas9 para cortar um gene que causa a doença de Huntington e inserir um gene “bom” para substituí-lo.

A edição do gene em si não é nova. Várias técnicas para derrubar genes já existem há anos. O que torna o CRISPR tão revolucionário é que ele é tão preciso: A enzima Cas9 vai, na maioria das vezes, para onde quer que se diga. E é incrivelmente barata e fácil: no passado, pode ter custado milhares de dólares e semanas ou meses de mexer para alterar um gene. Agora pode custar apenas 75 dólares e demorar apenas algumas horas. E esta técnica tem funcionado em todos os organismos em que foi experimentada.

É agora um dos campos mais quentes. Em 2011, havia menos de 100 artigos publicados sobre o CRISPR. Em 2018, havia mais de 17.000 e contando, com refinamentos ao CRISPR, novas técnicas de manipulação de genes, melhorias na precisão, e mais. “Este tornou-se um campo tão rápido que agora até tenho dificuldade em acompanhar”, diz Doudna. “Estamos chegando ao ponto em que a eficiência da edição de genes está em níveis que claramente serão úteis terapêuticamente, assim como um vasto número de outras aplicações”

Há também uma intensa batalha legal sobre quem exatamente deve obter crédito por essa tecnologia CRISPR e quem é o proprietário dos direitos potencialmente lucrativos. O artigo de Doudna de 2012 na Universidade da Califórnia em Berkeley foi o grande avanço, ou a pesquisa de Zhang de 2013 no Broad Institute foi o principal avanço? Em setembro, um tribunal federal de apelação rejeitou os argumentos da Universidade da Califórnia Berkeley de que a escola tem direitos exclusivos sobre as patentes do CRISPR, defendendo as patentes do Broad Institute em alguns pedidos do CRISPR.

Mas o importante é que o CRISPR chegou.

Então para que podemos usar o CRISPR?

So. Muitos. Things.

Paul Knoepfler, professor associado da Faculdade de Medicina da UC Davis, disse ao Vox que o CRISPR o faz sentir como um “garoto numa loja de doces”

Ao nível mais básico, o CRISPR pode tornar muito mais fácil para os pesquisadores descobrirem o que diferentes genes em diferentes organismos realmente fazem – por exemplo, eliminando genes individuais e vendo quais características são afetadas. Isto é importante: embora tenhamos um “mapa” completo do genoma humano desde 2003, não sabemos realmente qual a função que todos esses genes servem. CRISPR pode ajudar a acelerar a triagem do genoma, e a pesquisa genética pode avançar massivamente como resultado.

Os pesquisadores também descobriram que existem inúmeros CRISPRs. Portanto, CRISPR é na verdade um termo bastante amplo. “É como o termo ‘fruta’ – descreve uma categoria inteira”, disse o Zhang da Broad. Quando as pessoas falam do CRISPR, normalmente estão se referindo ao sistema CRISPR/Cas9, do qual temos falado aqui. Mas nos últimos anos, pesquisadores como Zhang têm encontrado outros tipos de proteínas CRISPR que também funcionam como editores de genes. O Cas13, por exemplo, pode editar a irmã do DNA, RNA. “Cas9 e Cas13 são como maçãs e bananas”, acrescentou Zhang.

A verdadeira diversão – e, potencialmente, os riscos reais – poderia vir do uso do CRISPRs para editar várias plantas e animais. Um artigo de Rodolphe Barrangou e Doudna sobre Biotecnologia da Natureza em 2016 listou uma série de potenciais aplicações futuras:

1) Editar culturas para ser mais nutritivo: Os cientistas de culturas já estão procurando usar o CRISPR para editar os genes de várias culturas para torná-las mais saborosas ou mais nutritivas ou melhores sobreviventes de calor e estresse. Eles podem potencialmente usar CRISPR para cortar os alergênios em amendoins. Os pesquisadores coreanos estão procurando ver se o CRISPR poderia ajudar bananas a sobreviver a uma doença fúngica mortal. Alguns cientistas têm mostrado que o CRISPR pode criar vacas leiteiras sem chifres – um enorme avanço para o bem-estar animal.

Recentemente, grandes empresas como a Monsanto e DuPont começaram a licenciar a tecnologia CRISPR, na esperança de desenvolver novas variedades valiosas de culturas. Embora esta técnica não substitua inteiramente as técnicas tradicionais de OGMs, que podem transplantar genes de um organismo para outro, CRISPR é uma nova ferramenta versátil que pode ajudar a identificar genes associados a características de cultivo desejadas muito mais rapidamente. Ele também poderia permitir aos cientistas inserir os traços desejados nas culturas com mais precisão do que a reprodução tradicional, que é uma forma muito mais confusa de troca de genes.

“Com a edição do genoma, podemos absolutamente fazer coisas que não podíamos fazer antes”, diz Pamela Ronald, uma geneticista de plantas da Universidade da Califórnia Davis. Dito isto, ela adverte que é apenas uma das muitas ferramentas para modificação de culturas por aí – e a criação bem sucedida de novas variedades ainda pode levar anos de testes.

É também possível que estas novas ferramentas possam atrair controvérsia. Os alimentos que tiveram alguns genes eliminados via CRISPR são atualmente regulados de forma mais leve do que os OGM tradicionais. Os formuladores de políticas em Washington, DC, estão atualmente debatendo se poderia fazer sentido repensar a regulamentação aqui. Esta peça para Ensia de Maywa Montenegro aprofunda alguns dos debates que o CRISPR suscita na agricultura.

2) Novas ferramentas para deter as doenças genéticas: Os cientistas estão agora a usar o CRISPR/Cas9 para editar o genoma humano e tentar eliminar doenças genéticas como a cardiomiopatia hipertrófica. Eles também estão procurando usá-lo em mutações que causam a doença de Huntington ou fibrose cística, e estão falando em experimentá-lo no BRCA-1 e 2 mutações ligadas a cânceres de mama e ovários. Os cientistas têm até mostrado que o CRISPR pode eliminar as infecções por HIV das células T.

Até agora, no entanto, os cientistas só testaram isso em células no laboratório. Ainda há alguns obstáculos a ultrapassar antes de alguém começar os ensaios clínicos em humanos reais. Por exemplo, as enzimas Cas9 podem ocasionalmente “disparar mal” e editar o DNA em locais inesperados, o que nas células humanas pode levar ao câncer ou mesmo criar novas doenças. Como o geneticista Allan Bradley, do Instituto Wellcome Sanger da Inglaterra, disse ao STAT, a capacidade do CRISPR de causar estragos no DNA tem sido “seriamente subestimada”

E embora também tenha havido grandes avanços na melhoria da precisão do CRISPR e na redução desses efeitos fora do alvo, os cientistas estão pedindo cautela nos testes em humanos. Essa é uma grande razão pela qual as experiências de Jiankui na produção de bebês humanos com genomas editados pelo CRISPR são tão controversas e alarmantes. Os pesquisadores que examinaram as poucas descobertas que o Jiankui revelou publicamente disseram que os resultados mostraram que os genes dos bebês não foram editados com precisão. Também há muito trabalho a ser feito para realmente entregar as moléculas de edição a células particulares – um grande desafio a avançar.

3) Novos antibióticos e antivirais poderosos: Um dos factos mais assustadores sobre a saúde pública é que estamos a ficar sem antibióticos eficazes à medida que as bactérias desenvolvem resistência a eles. Atualmente, é difícil e caro desenvolver novos antibióticos para infecções mortais. Mas os sistemas CRISPR/Cas9 poderiam, em teoria, ser desenvolvidos para erradicar certas bactérias com mais precisão do que nunca (embora, mais uma vez, descobrir os mecanismos de administração seja um desafio). Outros pesquisadores estão trabalhando nos sistemas CRISPR que visam vírus como HIV e herpes.

4) Unidades genéticas que podem alterar espécies inteiras: Os cientistas também demonstraram que o CRISPR poderia ser usado, em teoria, para modificar não apenas um único organismo, mas uma espécie inteira. É um conceito enervante chamado “gene drive”

Funciona assim: Normalmente, sempre que um organismo como um companheiro da mosca da fruta, há 50-50 hipóteses de passar um gene para a sua descendência. Mas usando o CRISPR, os cientistas podem alterar essas probabilidades para que haja quase 100% de chance de que um gene em particular seja transmitido. Usando esse impulso genético, os cientistas podem assegurar que um gene alterado se propague por toda uma população em ordem curta:

Ao aproveitar esta técnica, os cientistas poderiam, digamos, modificar geneticamente os mosquitos para produzir apenas descendência masculina – e depois usar um impulso genético para empurrar essa característica através de toda uma população. Com o tempo, a população iria se extinguir. “Ou você poderia simplesmente adicionar um gene tornando-os resistentes ao parasita da malária, impedindo sua transmissão aos humanos”, explica Dylan Matthews, de Vox, em sua história sobre o gene CRISPR para a malária.

p>Suffice para dizer que também há obstáculos a serem superados antes que essa tecnologia seja lançada em massa – e não necessariamente os que você esperaria. “O problema da malária está se tornando rapidamente um problema de política e governança, mais do que um problema de biologia”, escreve Matthews. Os reguladores precisarão descobrir como lidar com essa tecnologia, e os especialistas em ética precisarão lidar com perguntas difíceis sobre sua imparcialidade.

5) Criando “bebês desenhistas”: Este é o que recebe mais atenção, e com razão. Não é totalmente rebuscado pensar que um dia poderemos estar confiantes o suficiente no cofre do CRISPR para usá-lo para editar o genoma humano – para eliminar doenças, ou para selecionar para o atletismo ou inteligência superior.

Mas a recente tentativa de Jiankui de introduzir proteção contra o HIV em embriões destinados à gravidez, que envolveu pouca supervisão, não é como a maioria dos cientistas quer que o campo avance.

A preocupação é que ainda não há salvaguardas suficientes para evitar danos nem conhecimento suficiente para fazer um bem definido. No caso de Jiankui, ele também não contou à sua universidade sobre sua experiência antes do tempo, provavelmente não informou completamente os pais dos bebês modificados sobre os riscos envolvidos, e pode ter tido um incentivo financeiro de suas duas empresas de biotecnologia afiliadas.

Nem estamos perto do ponto em que os cientistas poderiam fazer com segurança as complexas mudanças necessárias para, por exemplo, melhorar a inteligência, em parte porque ela envolve muitos genes. Então não sonhe com Gattaca ainda.

“Eu acho que a realidade é que ainda não entendemos o suficiente sobre o genoma humano, como os genes interagem, quais genes dão origem a certos traços, na maioria dos casos, para permitir a edição para aprimoramento hoje”, disse Doudna em 2015. Mesmo assim, ela acrescentou: “Isso vai mudar com o tempo”

Espere, devemos realmente criar bebês de design?

Dadas todas as questões complexas associadas com a edição de genes, muitos cientistas estão defendendo uma abordagem lenta aqui. Eles também estão tentando manter a conversa sobre essa tecnologia aberta e transparente, construir confiança pública e evitar alguns dos erros que foram cometidos com os OGMs. Mas com a facilidade de uso e baixos custos do CRISPR, é um desafio manter as experiências desonestas sob controle.

Em fevereiro de 2017, um relatório da Academia Nacional de Ciências disse que os ensaios clínicos poderiam ser iluminados de verde no futuro “para condições sérias sob supervisão rigorosa”. Mas também deixou claro que “a edição do genoma para melhoramento não deveria ser permitida neste momento”

Sociedade ainda precisa lutar com todas as considerações éticas em jogo aqui. Por exemplo, se editarmos uma linha germinal, as gerações futuras não poderão optar por não participar. Mudanças genéticas podem ser difíceis de desfazer. Mesmo esta postura tem preocupado alguns pesquisadores, como Francis Collins dos Institutos Nacionais de Saúde, que disse que o governo americano não financiará nenhuma edição genômica de embriões humanos.

Enquanto isso, pesquisadores nos EUA que podem obter seu próprio financiamento, juntamente com outros no Reino Unido, Suécia e China, estão avançando com suas próprias experiências.

Outras leituras

• Julia Belluz discutiu as implicações do anúncio surpreendente de Jiankui sobre bebês humanos com genomas editados e as clínicas CRISPR em perspectiva nos EUA.
• Também relatamos sobre duas ferramentas CRISPR que superaram as partes mais assustadoras da edição de genes.
• Ezra Klein entrevistou Jennifer Doudna, da UC Berkeley, uma das principais pesquisadoras do CRISPR, em seu podcast em outubro.
• Michael Specter’s “Rewriting the Code of Life” no New Yorker.
• Carl Zimmer está na batida CRISPR há muito tempo. Sua peça de 2015 no Quanta vale bem a pena ler.
• Sharon Begley também esteve na batida CRISPR, e recentemente desempacotou os últimos estudos sobre os danos potenciais da edição genética.
• Em 2016, a Natureza explorou algumas das limitações sutis do CRISPR – e a busca por ferramentas adicionais de edição de genes. E esta peça anterior da Nature de Heidi Ledford é um delicioso mergulho na forma como os pesquisadores poderiam usar o CRISPR para explorar o genoma. Também vale a pena conferir este artigo listando todas as futuras aplicações do CRISPR.