Jagten på kryptoniten, der kan stoppe CRISPR

Konceptuel illustration af stenpapirsakse og DNA, CRISPR og Anti-crispr Ms. Tech; papir dna af: Jorge C. Lucero | Flickr; sten og saks: pixabay

I september 2016 kaldte Jennifer Doudna en ny kollega ved navn Kyle Watters til sit kontor. På det tidspunkt var University of California, Berkeley, biokemiker berømt som medopfinderen af ​​CRISPR. Opfindelsen af ​​det hurtige og alsidige værktøj til at redigere gener havde hvælvet hende til global berømmelse og til betydelig rigdom. Hun var stifter af flere startup-virksomheder og havde samlet millioner i videnskabspræmiepenge.

Dog ildevarslende, som Doudna har fortalte , blev hun hjemsøgt af en drøm, hvor Adolf Hitler dukkede op med en kuglepen og papir og bad om en kopi af CRISPR-opskriften. Hvilket forfærdeligt formål kunne Hitler have? Doudna sagde ikke i sine genfortællinger af sin drøm.

Nu var Doudnas spørgsmål, ville Watters gerne arbejde på en måde at stoppe det på? Stop CRISPR.

CRISPR findes inde i bakterier. Det er et milliard år gammelt forsvar mod plyndrende vira, der opdager deres DNA og bruger et saks-lignende protein til at hakke det op. Doudna spillede en nøglerolle i at omdanne fundet til et revolutionært genredigeringsværktøj, der er blevet taget i brug over hele verden og fremskynder en bølge af ny forskning og potentielle helbredelser.

Men hvis videnskabsmænd lærer at levere genredaktører inde i folks kroppe, hvad forhindrer en galning, terrorist eller stat i at bruge CRISPR til at forårsage skade? Folk forestiller sig personlige angreb, der kun ville ramme bestemte etniske grupper eller supersoldater redigeret for ikke at føle smerte. Doudna var godt bekendt med dilemmaet. I hendes bog Et knæk i skabelsen , skrev hun, at hun frygtede, at genredigering kunne komme til verdens opmærksomhed, som atomkraft gjorde, i en svampesky. Kunne jeg og andre bekymrede videnskabsmænd redde CRISPR fra sig selv … før en katastrofe indtraf?

Nu ville hun have en chance. Tidligere i 2016 havde de amerikanske efterretningstjenester udpeget genredigering som et potentielt masseødelæggelsesvåben. I september var Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hoppet ind og udsendte en opfordring til nye måder at kontrollere eller vende virkningerne af genredigeringsteknologi. Programmet, kaldet Sikre gener , ville ende med et budget på mere end $65 millioner, hvilket gør det til en af ​​de største kilder til penge til CRISPR-forskning, bortset fra bioteknologiske startups, der udvikler nye genetiske behandlinger.

Et problem, som DARPA så det, var manglen på en letanvendelig modforanstaltning, fortryd-knap eller modgift til CRISPR. Og jo mere kraftfuld genredigering bliver, jo mere har vi måske brug for en - i tilfælde af en laboratorieulykke eller værre. Som UC Berkeley udtrykte det i en 2017 pressemeddelelse efter Doudna, med Watters' hjælp, gjorde krav på en del af den store DARPA-kontrakt, havde universitetet til hensigt at bygge værktøjer til at modvirke bioterrortrusler, herunder våben, der anvender CRISPR selv.

CRISPR våben? Vi overlader det til din fantasi, præcis hvordan en kunne se ud. Hvad der dog er sikkert at sige er, at DARPA har bedt Doudna og andre om at begynde at undersøge profylaktiske behandlinger eller endda piller, du kan tage for at stoppe genredigering, ligesom du kan sluge antibiotika, hvis du har fået et miltbrand-brev i post. Forskere under Doudnas projekt siger, at de er indstillet på at begynde indledende test på mus for at se, om gnavere kan gøres immune over for CRISPR-redaktører.

Kan vi lukke for CRISPR? spørger Joseph S. Schoeniger, der leder den ene arm af forsvarsindsatsen hos Sandia National Laboratories i Livermore, Californien. Det er det, vi kigger på. Det grundlæggende koncept er, at denne teknologi er på vej, [så] ville det ikke være rart at have en 'sluk'-kontakt.

Jennifer Doudna Alexander Heinl/picture-alliance/dpa/AP Images

Anti-CRISPR

Da Doudna udarbejdede sit forslag til DARPA, havde andre forskere allerede en stor anelse om, hvordan man stopper CRISPR. I den ældgamle kamp mellem bakterier og de vira kaldet fag, som inficerer dem, havde fag udviklet deres egne modgift mod CRISPR. Faktisk har deres genomer, det er blevet fundet, evnen til at producere, hvad der i det væsentlige er CRISPR kryptonit - små proteiner, der er udsøgt tunet af evolutionen for at deaktivere genredigeringsværktøjet. Forskere kalder disse molekyler for anti-CRISPR'er.

De første anti-CRISPR'er blev opdaget i 2013 af en studerende ved University of Toronto ved navn Joseph Bondy-Denomy. Det var serendipity. Vi faldt over det faktum, at nogle fager så ud til at være resistente over for CRISPR. Når vi sætter fagen ind i en celle, kunne bakterierne ikke beskytte sig selv, siger Bondy-Denomy, nu professor ved University of California, San Francisco. Han fokuserede hurtigt på et af virussens omkring 50 gener som årsag. Vi tænkte, wow, måske slår dette CRISPR fra.

Antallet af laboratorier, der studerer sådanne forsvar, er mindre end antallet, der arbejder med CRISPR. Men anti-CRISPR er ved at blive et blomstrende felt i sig selv. Mere end 40 anti-CRISPR-proteiner er allerede blevet fundet, mange af Doudnas laboratorium. Andre teams har tidlig succes med at lokalisere konventionelle kemikalier, der også kan hæmme CRISPR. I dag er Amit Choudhary fra Harvard Medical School i Boston, også med finansiering fra DARPA, rapporteret han havde fundet to lægemidler, der forhindrer genredigering, når de blandes med menneskeceller. Kendetegnet ved enhver kraftfuld teknologi er kontrol, siger Choudhary. Så enkelt er det.

Forskere som Bondy-Denomy mener, at anti-CRISPR'er kan have en rolle i at forbedre fremtidige genredigeringsbehandlinger ved at give forskerne mere præcis kontrol. For eksempel viste et hold i Tyskland for nylig, om de kombineret CRISPR og anti-CRISPR , kunne de skabe en editor, der kun vil ændre DNA i leverceller, ikke neuroner eller muskler.

En anden applikation, der undersøges, er, om anti-CRISPR kunne skabe en beskyttelse mod gendrev. Bill & Melinda Gates Foundation bakker op om udviklingen af ​​et CRISPR-værktøj, der vil spredes gennem vilde myg, hvilket får deres befolkninger til at styrte ned, med ideen om at forhindre malaria. Andre ønsker at udvikle sådanne gendrev i mus, så de kan udrydde gnavere fra øer uden at bruge gift.

Men hvad nu hvis disse eksperimenter går galt og fører til en udryddelse? Forskere tror, ​​de kan skabe organismer med anti-CRISPR programmeret ind i deres genomer, så de er immune. I et indledende bevis på princippet, videnskabsmænd i Kansas sidste år konstruerede gærceller med anti-CRISPR for at modstå et gendrev. Hvis et nordkoreansk laboratorium kommer til dig med et gendrev til at udslette en økonomisk vigtig afgrøde, kan du have en transgen afgrøde, der [er resistent]. Det er tegnebrættet, siger Erik Sontheimer fra University of Massachusetts Medical School.

En biooverraskelse

Fremkomsten af ​​CRISPR-værktøjet, der startede i midten af ​​2012, overraskede videnskabsmænd. I det væsentlige fra den ene dag til den anden blev gensplejsede metoder erstattet af et billigt, alsidigt og programmerbart middel til at ændre DNA inde i enhver levende ting. Prognosefolk, hvis opgave var at forudse nye farer, savnede totalt CRISPR, siger Renee Wegrzyn , bioforsvarsforskeren, der driver DARPAs program. Den ydmygende manglende evne til at se fremtiden forvandlede sig hurtigt til et kritisk presserende spørgsmål for den nationale sikkerhed.

Det skyldes, at forskere, læger og startups støttet af venturekapitalister startede et kapløb om at lære, hvordan man implementerer CRISPR i planter, dyr og mennesker ved hjælp af vira, injektioner, nanopartikler eller elektriske stød. Og jo bedre de blev til det, jo mere realistisk kunne en slags ny biotrussel blive.

I 2015 var Doudna også begyndt at stille spørgsmålstegn ved, hvordan CRISPR blev brugt i mere rutineprægede laboratorieforskningsmiljøer. Nogle af eksperimenterne så farlige ud - hvad nu hvis en kandidatstuderende kom til skade? Vi skubber disse teknologier ud i verden, og vi ledsager dem ikke med de sikkerhedsforanstaltninger, der burde være på plads, fortalte Wegrzyn en forsamling af Long Now Foundation , i 2017, i San Francisco. Jeg begyndte virkelig at føle, at det hastede med, at nogen skulle gøre noget ved det her.

I sin tale sagde Wegrzyn, at faren ved CRISPR var indlysende fra, hvordan videnskabsmænd allerede brugte genredigering til at gøre mus syge ved at klippe vigtige gener. Jeg tror ikke, man behøver at være biosikkerhedsekspert for at erkende, at der er behov for undersøgelse, når man ser på et værktøj, der både kan helbrede og forårsage sygdom, sagde hun til samlingen i Californien. Hvis vi har brug for at lukke en gen-editor ned med det samme, ved vi bare ikke, hvordan vi gør dette.

Der er stadig ingen enighed om, hvor farligt CRISPR kan være i de forkerte hænder. Røde holdøvelser sponsoreret af Central Intelligence Agency i løbet af sommeren 2016, hvor en gruppe analytikere kaldet Jasons blev bedt om at opfinde deres værste ideer, afgjorde ikke spørgsmålet. Senere producerede National Academies of Sciences, Engineering and Medicine, på anmodning fra Department of Defense, en hel række af mulige trusler fra syntetisk biologi, hvilket placerede CRISPR-våben mod midten af ​​flokken. Militæret sagde, at det ikke så nogen overhængende fare for soldater.

Doudna er enig i, at CRISPRs farer ikke bør overdrives. Jeg får disse spørgsmål meget om CRISPR-systemer og uhyggelige anvendelser, og min fornemmelse er, at jeg hverken er mere eller mindre bekymret for CRISPR end andre ting. Nogen kunne syntetisere koppevirus, siger hun. På samme måde, mens hendes forskning kan føre til en eventuel genredigerende modgift, tager hendes laboratoriums arbejde med anti-CRISPR'er hovedsageligt fat på fundamentale biologiske spørgsmål. Jeg er stadig på trin et, siger hun. Hvordan virker disse?

Andre bekymrer sig dog om, at risici allerede er tydelige, og at modgift ikke kan komme hurtigt nok. For eksempel har nogle videnskabsmænd forsøgt at forhindre offentlig diskussion af specifikke CRISPR-undersøgelser eller endda slette omtale af dem fra internettet, formentlig for at give videnskabsfolk mere tid til at udvikle modforanstaltninger. Den generelle fremherskende holdning er ikke at give folk mareridtsbrændstof, mens vi aktivt leder efter svar. Der er altid en bekymring for en tidlig freak-out, siger Doudnas tidligere samarbejdspartner Watters, som i 2018 forfattede en anmeldelse af genredigerings implikationer for biosikkerhed .

En video, der viser CRISPR, der redigerer DNA i realtid Osamu Nureki, Nature Communications

CRISPR forsvar

I år, som en del af Doudnas DARPA-projekt, planlægger hold af videnskabsmænd at begynde deres første eksperimenter - i mus - for at afgøre, om det er muligt at beskytte dem mod CRISPR. Et laboratorium involveret i arbejdet er på Sandia National Laboratories, som vil beskæftige mus, der er klargjort til redigering, fordi de er konstrueret til at blive født med CRISPRs molekylære saks, et protein kaldet Cas9, i hver celle.

Schoeniger, der leder Sandia-indsatsen, siger, at hans laboratorium snart vil instruere musene i at redigere sig selv, men vil også give dem et skud af anti-CRISPR-molekyler for at se, om processen er blokeret. Anti-CRISPR fungerer godt i naturen, og vi forsøger at se, om det virker godt hos dyr, siger han.

Schoeniger mener, at der er en betydelig risiko for utilsigtet eksponering for CRISPR-midler. Efterhånden som en stor industri springer op omkring redigeringsværktøjet, bliver CRISPR formuleret til genterapier, injektioner, salver og mad, hvilket øger chancen for en laboratorieulykke. Selv et hemmeligt biovåbenprogram er mere tilbøjeligt til at frigive en designerkim ved et uheld, end det er til at iværksætte et angreb. Efterhånden som folk bruger dette i større og større mængder, er der en øget chance for, at folk kommer i kontakt, for at blive stukket eller sprøjtet, siger han. Og hvis jeg får sprayet et mutagen i øjnene, ville det være rart at stoppe det.

Arbejde på en modgift kan også være nyttigt ligesom public relations. Det kunne i det mindste dæmpe den mentale tilgængelighed til en ondartet personlighed, siger Schoeniger. Hvis du kan slå det fra, vil de måske ikke genere det. Fra et psykologisk synspunkt er det rart at have en 'sluk'-knap. Det er rart at placere den teknologi i samfundet.

Schoeniger er ikke under en illusion om, at en modgift mod CRISPR vil få truslerne til at forsvinde. Faktisk vokser sikkerhedsproblemet, efterhånden som laboratorier forbedrer værktøjet og opfinder relaterede, hver med forskellige implikationer for biodefenders. Forskere kan føle sig forvirrede over den enorme hastighed, hvormed genredigering og syntetisk biologi i bredere forstand accelererer, og hvordan information spredes online.

Vi ser på teknologiens overordnede risikofront, hvordan den bliver ved med at udvikle sig, og hvor svært [det er] at holde sig på toppen af ​​det, og hvor hurtigt folk smider scenarier ud, og det er svært at rationelt håndtere den risiko, siger Schoeniger . I mellemtiden, siger han, virker det som et godt sted at begynde at lære at blokere CRISPR i sin klassiske, enkleste form. Det virker indlysende, at vi gerne vil modulere teknologien, så lad os gøre det, mens vi prøver at sortere prioriteterne, siger Schoeniger. Til en vis grad er det noget rod; ny teknologi eksploderer så hurtigt.

skjule