Çıplak gözle görülemeyen makas genetik sihirli makas
CRISPR'yi duymadıysanız, bunu şu kadar basit anlayabilirsiniz: Geçtiğimiz dört yıl içinde bilim adamları, bakterilerin bağışıklık sisteminde diğer organizmalardaki (bitkiler, fareler ve hatta insanlar) genleri düzenleyebilen bir araç keşfettiler. . CRISPR ile, uzun yıllar süren gen düzenleme görevleri artık sadece birkaç günde tamamlanabilir.
Gene sihirli makas. (Resim kaynağı: Javier Zarracina)
Kısa bir girişten sonra, bu son teknoloji ve güçlü gen düzenleme aracının bitkilerin, hayvanların ve hatta insanların hücrelerinde nasıl çalıştığından bahsedelim. Gereksiz özellikleri tam olarak ihtiyaçlarımıza göre silebileceğimiz veya ekleyebileceğimiz kullanımı o kadar kolaydır.
Yalnızca 2016'da, araştırmacılar CRISPR'yi bazı harika şeyler yapmak için kullandılar. Kolayca kahverengiye dönmeyen mantarlar oluşturun veya orak tipi anemiyi tedavi etmek için fare kemik iliği hücrelerini düzenleyin . Bu programa göre, CRISPR bir gün kuraklığa dayanıklı mahsuller, daha güçlü antibiyotikler geliştirmemize veya kistik fibroz gibi genetik hastalıkları tedavi etmemize yardımcı olabilir. CRISPR, sıtma parazitleri taşıyan sivrisinek popülasyonlarının tamamını ortadan kaldırmamıza veya nesli tükenmiş türleri geri getirmemize bile izin verebilir. CRISPR uygulamasının önünde hala bazı engeller olsa da, bunlar araştırmacılar tarafından aşılamaz.
2016 yılında, Çinli bilim adamları CRISPR'yi insan embriyonik hücrelerini düzenlemek için kullanabileceğimizi ilk kez doğruladıktan sonra, CRISPR'yi çevreleyen en büyük hile, onu bazı insan özelliklerini (zekayı geliştirmek gibi) geliştirmek için kullanıp kullanamayacağımızdır. Ama bunlar gerçekten sadece uzak görüntüler. Karmaşık genleri düzenlemenin belirsizliklerinden dolayı, bazı insanların özlem duyduğu "tasarlanmış bebek" hala ulaşılamaz bir hedeftir. Peki, CRISPR hakkında bu kadar büyülü olan ne? O nasıl çalışır? Şimdi ayrıntılı olarak konuşalım.
[CRISPR nedir?
CRISPR teknolojisinin kökenini anlamak istiyorsak, Japon bilim adamlarının E. coli genlerinde bazı olağandışı tekrarlayan diziler keşfettikleri 1987 yılına geri dönmeliyiz. "Bu dizilerin biyolojik önemi hala bilinmiyor" dediler. Zaman ilerledikçe, diğer araştırmacılar farklı bakteri türlerinin (veya arkelerin) vücutlarında benzer diziler buldular ve bunları adlandırdılar: Sık palindrom tekrar kümesi (Düzenli Aralıklarla Kümelenmiş Kısa Palindromik Tekrarlar), " CRISPR ".
Ancak CRISPR dizilerinin işlevi uzun süredir bir sır olarak kaldı. 2007 yılına kadar, bir grup beslenme uzmanı streptokoklarla yoğurt yapmayı çalışırken, bu garip tekrarlayan dizilerin bakteriyel bağışıklık sisteminin önemli bir parçası olabileceğini ortaya çıkardı. .
Bakteriler sürekli virüs saldırısı altındadır, bu nedenle her zaman antiviral enzimlerin koruması altındadır. İstilacı virüs ortadan kaldırıldıktan sonra, bazı bakteriyel enzim sistemleri, "savaş alanında" kalan virüs genlerini süpürmeye, onları küçük parçalara ayırmaya ve sonra bakteri genomundaki CRISPR dizisine yerleştirmeye katılacak. Sonraki şey herkesin beklentilerinin ötesinde oldu: Bakteriler, gelecekteki viral saldırılarla savaşmak için CRISPR'de depolanan bu dizileri kullanır.
CRISPR / Cas9 gen düzenleme sisteminin yapısı. Cas9 enzimi (kırmızı), DNA (sarı) eksizyonuna rehberlik etmek için RNA fragmanlarını (mavi) kullanır. (Resim kaynağı: Shutterstock)
Başka bir deyişle, aynı tür virüs saldırısıyla karşılaşırsanız, bir tür bakterinin kendi proteini Cas9 İmal edilecektir. Cas9 istilacı bir virüsle karşılaştığında, virüsün RNA'sını tanıyacak ve CRISPR'de depolanan diziyle eşleşirse Cas9, istila tehdidini ortadan kaldırmak için virüsün RNA'sını kesecek. CRISPR sisteminin çalışma prensibi budur, ancak bu ustaca sistem, oldukça uzun bir süredir bu alandaki bir dizi yeni gelişmeye kadar bilim camiasının dikkatini çekmedi.
[CRISPR sistemi gen düzenlemeye nasıl rehberlik eder?
2011 yılında, Berkeley'deki California Üniversitesi'nden Jennifer Doudna ve İsveç'teki Umeå Üniversitesi'nden Emmanuelle Charpentier, CRISPR / Cas9 sisteminin nasıl çalıştığı konusunda kafaları karışmıştı. Cas9 enzimi, virüs dizisini tanımak için RNA tarafından nasıl yönlendirilir? Bu enzim DNA'yı nereden kesmeye başlayacağını nereden biliyor?
Bilim adamları kısa süre sonra Cas9 proteinini "koaksiyel" olarak bir yapay RNA parçası kullanabileceklerini keşfettiler ve bu enzim, RNA ile aynı diziye sahip olduğu sürece bu RNA'nın dizisine dayalı herhangi bir DNA parçasıyla eşleşebilir ve sonra onu kesebilir. 2012'de dönüm noktası niteliğindeki bir makalede Doudna, Charpentier ve Martin Jinek, CRISPR / Cas9 sistemi, herhangi bir genomdaki herhangi bir konumu kesmek için kullanılabilir.
Şimdi, bu teknolojinin başarısı yalnızca test tüplerinde kanıtlanmış olsa da, ima ettiği beklentiler apaçık ortada.
Hemen ardından, Boston Broad Institute Feng Zhang ( ) Şubat 2013'te Science'ta ortak yazar olarak bir makale yayınladı. CRISPR / Cas9 sisteminin fare veya insan hücrelerinde gen düzenleme yapabildiğini kanıtladı. Derginin aynı sayısında Harvard Üniversitesi'nden George Church ve ekibi, insan hücrelerini düzenlemek için farklı CRISPR teknolojilerinin nasıl uygulanabileceğini gösterdi.
Şimdiye kadar, araştırmacılar zaten biliyor CRISPR / Cas9 sistemi çok işlevli bir sistemdir. Sadece bazı genler kesilerek "susturulabilir", aynı zamanda bazı gerekli fragmanlar da onarım enzimleri tarafından kesilen bölgeye eklenebilir. (Tabii ki bu biraz daha zor). Örneğin, bilim adamları Cas9 enziminin Huntington hastalığına neden olan gen parçasını kesmesine izin verebilir ve daha sonra onu sağlam gen ile değiştirebilir.
(Fotoğraf kredisi: Javier Zarracina / Vox)
Aslında, gen düzenleme tamamen yeni bir kavram değildir.Yıllar içinde genleri yok etmek için birçok teknoloji geliştirilmiştir. CRISPR'ı devrim niteliğinde bir teknoloji yapan şey, doğruluğu: Cas9 enzimi tam olarak gitmesini istediğiniz yere hareket eder . Ayrıca bu teknoloji çok ucuz ve kullanımı kolaydır. Geçmişte, bir genin değiştirilmesi haftalar hatta aylar sürebilir ve binlerce dolara mal olabilir. Şimdi sadece 75 dolar ve birkaç saat. Aynı zamanda, CRISPR teknolojisinin her türden hücrede çalıştığı kanıtlanmıştır.
Bu nedenle CRISPR, birçok etkin noktadan biri haline geldi. 2011'de CRISPR uygulamaları hakkında yüzden az makale yayınlandı. 2016 yılına gelindiğinde sayı, gelişmiş CRISPR teknolojisini, yeni gen modifikasyon teknolojisini ve hedef doğruluğunu artırmaya yönelik teknolojiyi kapsayan 1.000'i aştı. Doudna, "Bu alan o kadar hızlı gelişiyor ki yetişemiyorum. Yakında gen düzenlemenin tıpta uygulamalar bulacağını keşfedeceğiz."
CRISPR teknolojisini geliştirme onurunun kime atfedilmesi gerektiği hala tartışmalı - Doudna'nın 2012'deki makalesi mi yoksa Zhang'ın 2013'teki makalesi bu teknolojik atılımı daha mı temsil ediyor? Bu teknolojiyi çevreleyen patent hakları, milyarlarca dolarlık fayda içerdiği için yasal anlaşmazlıkları bile tetikledi. 15 Şubat 2017'de ABD Patent ve Ticari Marka Ofisi, 2014 yılında Broad Institute tarafından onaylanan CRISPR-Cas9 patentini değiştirmemeye karar verdi. Ama en önemlisi, CRISPR dönemi geldi.
[CRISPR ile ne yapabiliriz?]
(Resim kaynağı: Shutterstock)
Davis, California Üniversitesi'nde doçent olan Paul Knoepfler, CRISPR'nin kendisini bir şekerci dükkanına giren bir çocuk gibi hissettirdiğini söyledi. En temel düzeyde, CRISPR, araştırmacıların farklı türlerdeki farklı genlerin rolünü anlamalarını kolaylaştırır - tek yapmanız gereken bu geni ortadan kaldırmak ve özellikler üzerindeki etkisine bakmaktır. Bunun önemi apaçık ortada: 2003 yılında insan genomunun haritasını tamamen çıkardığımızda, bu genlerin işlevlerini tam olarak anlamadık. CRISPR, hızlı genetik taramayı kolaylaştırabilir ve bu nedenle genetik araştırmaya fayda sağlayabilir.
Ancak gen düzenlemenin gerçek sevinci veya bir gün gerçek olma riski, birçok bitki ve hayvanın genlerini düzenlemede yatıyor. Rodolphe Barrangou'nun Nature Biotechnology'deki son makalesi, gelecekte CRISPR'nin birkaç potansiyel uygulamasını listeliyor:
1. Tahılları daha besleyici olacak şekilde "düzenleyin" : Tarımcılar, daha lezzetli, besleyici veya kuraklığa ve diğer elverişsiz ekim koşullarına dirençli hale getirmek için çeşitli tahılları dönüştürmek için CRISPR teknolojisini nasıl kullanacaklarını araştırıyorlar. Ayrıca yer fıstığındaki alerjiye neden olan maddeleri ortadan kaldırmak için CRISPR kullanabilirler. Güney Kore'deki bilim adamları, CRISPR'ın muzların ölümcül bir mantarın neden olduğu bir hastalığa direnmesine yardımcı olup olamayacağını araştırıyor. Bazı bilim adamları, CRISPR'nin, hayvanların korunmasında büyük bir gelişme olan boynuzsuz inekleri yetiştirmek için kullanılabileceğini keşfettiler.
Son birkaç yılda, Monsanto ve DuPont gibi şirketler, yeni tahıl çeşitliliği geliştirme umuduyla CRISPR teknolojisi için üretim lisansları için başvurmaya başladılar. CRISPR şimdilik geleneksel transgenik teknolojinin yerini alamasa da, genlerin temsil ettiği özellikleri daha hızlı tanımlayabilen çok yönlü yeni bir aracı temsil ediyor. CRISPR ayrıca bilim insanlarının istenen özellikleri doğru yerlere geleneksel yöntemlerden daha hassas bir şekilde yerleştirmelerine de izin verebilir.
Davis California Üniversitesi'nde bitki genetikçisi olan Pamela Ronald, "Gen düzenleme teknolojisi ile daha önce yapamadığımız şeyleri yapabiliriz" dedi. Ancak bu teknolojinin güvenilirliği konusunda şüpheleri var çünkü yeni biyoçeşitliliğin yaratıldığını doğrulamak hala uzun yıllar sürüyor.
Bu yeni teknoloji aynı zamanda tartışmalara da neden olabilir. Şimdi CRISPR tarafından genleri devre dışı bırakılan birkaç mahsulün denetimi, geleneksel genetiği değiştirilmiş gıdalardan biraz daha hafiftir. Washington'daki politika yapıcılar, mevcut düzenlemeleri değiştirmeye ihtiyaç olup olmadığını tartışmakla meşguller.
2. Genetik hastalıkları tedavi etmek için yeni araçlar: Bilim adamları, Huntington hastalığı ve kistik fibroz gibi bazı terapötik genleri ortadan kaldırmak için insan genomunu düzenlemek için CRISPR / Cas9'u da kullanabilir. Bazı bilim adamları, CRISPR'nin T hücrelerinden HIV enfeksiyonunu ortadan kaldırabileceğini de kanıtladılar.
Şimdiye kadar, bilim adamları bu teknolojilerin olanaklarını yalnızca laboratuvarda test ettiler ve gerçek klinik uygulamalarda hala üstesinden gelinmesi gereken birçok güçlük var. Örneğin, Cas9 enzimi bazen "söner" ve ardından düzenlenmemesi gereken yerlerde genleri düzenler İnsan hücrelerindeki sonuçlar, kanser veya benzeri görülmemiş hastalıklar gibi felaket olabilir. Son birkaç yılda, CRISPR'nin doğruluğunu iyileştirme konusunda büyük ilerleme kaydedildi, ancak bilim adamları hala CRISPR ile insan deneylerinde daha fazla özen gösterilmesini istiyor. Ek olarak, gen düzenleme sistemlerinin belirli hücrelere nasıl iletileceği bir sorun olmaya devam etmektedir.
3. Güçlü yeni antibiyotikler ve antiviral ilaçlar: Çok ciddi bir sağlık problemi, artık daha az antibiyotiğe sahip olmamız, çünkü gittikçe daha fazla bakteri direnç geliştiriyor ve yeni antibiyotiklerin geliştirilmesi çok uzun bir süreç. Ancak CRISPR sistemi teorik olarak bakteriyel enfeksiyon tehdidini daha kesin bir şekilde ortadan kaldırabilir (elbette CRISPR'nin nasıl iletileceği hala bir sorundur). HIV ve herpes virüslerinin tehdidini ortadan kaldırmak için CRISPR'ın nasıl kullanılacağını tartışan bazı araştırmacılar da var.
4. Tüm popülasyonun genlerini değiştirin: Bilim adamları ayrıca CRISPR'nin tüm popülasyonun genlerini teorik olarak değiştirebileceğini kanıtladılar. Bu, " Gen sürücüsü "Konsept. Şu şekilde çalışır: Genellikle meyve sinekleri gibi bir tür için, bir genin sonraki nesle geçme şansı% 50'dir. Ancak CRISPR, olasılığı% 100'e çıkarabilir." "Teknoloji ile bilim adamları, tüm popülasyonun genlerinin değiştirilmesini ve bir sonraki nesle aktarılmasını sağlayabilir.
(Fotoğraf kredisi: Javier Zarracina / Vox)
5. "Tasarlanmış" bebekler oluşturun: Bu en dikkat çekici olanıdır. Hastalıkları ortadan kaldırmak ve atlet olma veya daha yüksek zeka potansiyeline sahip bebekleri seçmek için bir gün tüm insan genomunu düzenlemek için CRISPR kullanacağımızı düşünmek çok da zor bir hayal değil.
Ama aslında bilim adamları bunu yapamadı. Nisan 2015'te Çinli bilim adamları, dünyada ilk kez 86 adet gelişmemiş insan döllenmiş yumurtasında kan hastalıklarına neden olan bir geni ortadan kaldırmaya çalıştı. Sonuç korkunçtu: Sadece 71 döllenmiş yumurta hayatta kaldı ve genlerin sadece küçük bir kısmı başarılı bir şekilde değiştirildi. Çoğu durumda, CRISPR'nin "uçuşu", başarıyla düzenlenmiş ve başarısız bir şekilde düzenlenmiş hücrelerin karıştırılmasıyla sonuçlanmıştır. (Bu hücreler bebeklere dönüşmedi, ancak deneyden sonra temizlendi).
Bu girişim, yalnızca kan hastalıklarına neden olan ve zekayı geliştirmek gibi herhangi bir karmaşık genetik modifikasyon içermeyen belirli bir geni ortadan kaldırmaktır. "İnsan genomunun nasıl etkileşime girdiğini ve hangi genlerin hangi özelliklere neden olduğunu tam olarak anladığımızı sanmıyorum." Doudna meslektaşlarıma, "Bu durum zamanla değişecek," diye ekledi.
[Bir dakika, gerçekten tasarlanmış bebekler yaratmalı mıyız?]
Süper bebek mi? (Resim kaynağı: Shutterstock)
Gen düzenleme alanındaki birçok sorun göz önüne alındığında, bilim topluluğu CRISPR uygulamasını askıya almaya çağırdı.
Aralık 2015'te, Uluslararası İnsan Geni Düzenleme Zirvesi'nin organizasyon komitesi, araştırmacıları klinik deneylerde insan germ hücrelerini, yani sperm, yumurta ve embriyoları düzenlemek için CRISPR'yi kullanmayı bırakma zamanının gelebileceği konusunda uyardı - en azından zaman henüz olgunlaşmadı ve Takip eden yan etkileri tam olarak anlamıyoruz.
Ek olarak, organizasyon komitesi bize insan toplumunun gen düzenlemesinin getirdiği etik sorunları çözmek için daha fazla zamana ihtiyacı olduğunu söyledi. Örneğin, insan üreme hücrelerini düzenlersek, gelecekteki her insan nesli bu tür düzenlemelerin etkilerinden çekilemeyecektir, çünkü gen düzenlemesini geri almak zor olabilir. Ve gen düzenleme, küçük bir insan grubunun belirli yeteneklerini artırabilir ve bu da büyük adaletsizliğe neden olabilir.
Aynı zamanda, organizasyon komitesi, germ hücrelerini düzenlemek için CRISPR kullanmanın gelecekteki olasılıklarını tamamen dışlamadı. Araştırmacılar, embriyonik hücrelerde ve diğer insan hücrelerinde gen düzenlemesi yapmak için CRISPR'ı kullanmaya devam edebilirler, ancak bu hücreler bir bebek olarak ortaya çıkmadıkça. Ancak bu ölçek bile Francis Collins gibi bazı bilim adamlarını endişelendiriyor. ABD hükümetinin gelecekte insan embriyonik hücrelerinin gen düzenlemesi gibi araştırmalara fon sağlamaması gerektiğini öne sürdüler. Aynı zamanda, İngiltere, İsveç ve Çin'deki bilim adamları, gelişmemiş insan embriyonik hücrelerini düzenlemede güçlü ilerlemeler kaydediyorlar.
