Φανταστείτε ότι είστε σε θέση να θεραπεύσετε οποιαδήποτε γενετική ασθένεια, αποτρέψτε βακτήρια από αντιστατικά αντιβιοτικά, αλλάζουν τα κουνούπια έτσι δεν μπορούν να μεταδώσουν ελονοσία, την πρόληψη του καρκίνου ή την επιτυχή μεταμόσχευση οργάνων ζώων στους ανθρώπους χωρίς απόρριψη. Ο μοριακός μηχανισμός για την επίτευξη αυτών των στόχων δεν είναι το υλικό ενός μυθιστορήματος επιστημονικής φαντασίας που έχει τεθεί στο απώτερο μέλλον. Αυτοί είναι επιτεύξιμοι στόχοι που έγιναν δυνατές από μια οικογένεια Αλληλουχίες ϋΝΑ που ονομάζονται CRISPRs.
Το CRISPR (προφέρεται "πιο τραγανό") είναι το ακρωνύμιο για μικρές επαναλαμβανόμενες τακτικές μικρές επαναλαμβανόμενες ομάδες, μία ομάδα DNA αλληλουχίες που βρίσκονται σε βακτήρια που δρουν ως αμυντικό σύστημα εναντίον ιών που θα μπορούσαν να μολύνουν ένα βακτήριο. Τα CRISPRs είναι ένας γενετικός κώδικας που διασπάται από "αποστάτες" ακολουθιών από ιούς που έχουν επιτεθεί σε ένα βακτήριο. Εάν τα βακτήρια συναντούν ξανά τον ιό, το CRISPR λειτουργεί ως ένα είδος τράπεζας μνήμης, καθιστώντας ευκολότερο να υπερασπιστεί το κύτταρο.
Η ανακάλυψη επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών DNA συνέβη ανεξάρτητα στη δεκαετία του 1980 και του 1990 από ερευνητές στην Ιαπωνία, τις Κάτω Χώρες και την Ισπανία. Το ακρωνύμιο CRISPR προτάθηκε από τους Francisco Mojica και Ruud Jansen το 2001 για να μειώσει τη σύγχυση που προκαλείται από τη χρήση διαφορετικών ακρωνυμίων από διαφορετικές ερευνητικές ομάδες στην επιστημονική βιβλιογραφία. Ο Mojica υποθέτει ότι τα CRISPRs ήταν μια μορφή βακτηρίων αποκτηθείσα ανοσία. Το 2007, μια ομάδα με επικεφαλής τον Philippe Horvath επαληθεύτηκε πειραματικά αυτό. Δεν ήταν πολύ καιρό πριν οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να χειριστούν και να χρησιμοποιήσουν CRISPRs στο εργαστήριο. Το 2013, το εργαστήριο Zhang έγινε το πρώτο που δημοσίευσε μια μέθοδο CRISPRs για τη χρήση σε επεξεργασία ποντικιών και ανθρώπινου γονιδιώματος.
Ουσιαστικά, το φυσικό CRISPR δίνει μια δυνατότητα αναζήτησης και καταστροφής κυττάρων. Στα βακτήρια, το CRISPR λειτουργεί με τη μεταγραφή αλληλουχιών διαχωριστή που προσδιορίζουν το DNA του ιού στόχου. Ένα από τα ένζυμα που παράγονται από το κύτταρο (π.χ., Cas9) στη συνέχεια δεσμεύεται στο στοχευόμενο ϋΝΑ και το κόβει, απενεργοποιώντας το γονίδιο στόχο και απενεργοποιώντας τον ιό.
Στο εργαστήριο, το Cas9 ή άλλο ένζυμο κόβει το DNA, ενώ το CRISPR το λέει πού να αποκοπεί. Αντί να χρησιμοποιούν ιικές υπογραφές, οι ερευνητές προσαρμόζουν τους διαχωριστές CRISPR για να αναζητήσουν γονίδια ενδιαφέροντος. Οι επιστήμονες έχουν τροποποιήσει το Cas9 και άλλες πρωτεΐνες, όπως το Cpf1, έτσι ώστε να μπορούν είτε να κόψουν είτε να ενεργοποιήσουν ένα γονίδιο. Η μετατροπή ενός γονιδίου από και προς τα πάνω διευκολύνει τους επιστήμονες να μελετήσουν τη λειτουργία ενός γονιδίου. Η κοπή μιας αλληλουχίας DNA καθιστά εύκολη την αντικατάστασή της με μια διαφορετική ακολουθία.
Το CRISPR δεν είναι το πρώτο εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων στην εργαλειοθήκη του μοριακού βιολόγου. Άλλες τεχνικές για την επεξεργασία γονιδίων περιλαμβάνουν νουκλεάσες δακτύλων ψευδαργύρου (ZFN), δραστικές νουκλεάσες τύπου ενεργοποιητή μεταγραφής (TALENs), και τροποποιημένες μεγκανουκλεάσες από κινητά γενετικά στοιχεία. Το CRISPR είναι μια ευέλικτη τεχνική, επειδή είναι οικονομικά αποδοτική, επιτρέπει μια τεράστια επιλογή στόχων και μπορεί να στοχεύσει σε περιοχές που δεν είναι προσπελάσιμες σε ορισμένες άλλες τεχνικές. Αλλά, ο κύριος λόγος για τον οποίο είναι μια μεγάλη υπόθεση είναι ότι είναι απίστευτα απλό στο σχεδιασμό και τη χρήση. Το μόνο που χρειάζεται είναι ένας τόπος στόχος 20 νουκλεοτιδίων, ο οποίος μπορεί να γίνει με την κατασκευή ενός οδηγού. Ο μηχανισμός και οι τεχνικές είναι τόσο εύκολες στην κατανόηση και τη χρήση τους, καθίστανται στάνταρ στα προπτυχιακά βιολογικά προγράμματα σπουδών.
Οι ερευνητές χρησιμοποιούν το CRISPR για να κάνουν μοντέλα κυττάρων και ζώων να αναγνωρίσουν γονίδια που προκαλούν ασθένειες, να αναπτύξουν γονιδιακές θεραπείες και μηχανικούς για να έχουν επιθυμητά χαρακτηριστικά.
Προφανώς, οι CRISPR και άλλες τεχνικές επεξεργασίας γονιδιώματος είναι αμφιλεγόμενες. Τον Ιανουάριο του 2017, η FDA των ΗΠΑ πρότεινε κατευθυντήριες γραμμές για την κάλυψη της χρήσης αυτών των τεχνολογιών. Άλλες κυβερνήσεις εργάζονται επίσης σε κανονισμούς για την ισορροπία των οφελών και των κινδύνων.