De zoektocht naar de kryptoniet die CRISPR . kan stoppen

Conceptuele illustratie van steenpapier schaar ans DNA, CRISPR en Anti-crispr mevrouw Tech; papieren dna door: Jorge C. Lucero | Flickr; steen en schaar: pixabay

In september 2016 belde Jennifer Doudna een nieuwe collega genaamd Kyle Watters naar haar kantoor. Tegen die tijd was de biochemicus van de University of California, Berkeley, beroemd als de uitvinder van CRISPR. De uitvinding van de snelle en veelzijdige tool om genen te bewerken had haar wereldwijde bekendheid en aanzienlijke rijkdom opgeleverd. Ze was de oprichter van verschillende startende bedrijven en had miljoenen aan wetenschapsprijzen ingezameld.

Maar onheilspellend, zoals Doudna heeft gedaan vertelde , werd ze achtervolgd door een droom waarin Adolf Hitler verscheen, pen en papier vasthoudend, om een ​​kopie van het CRISPR-recept te vragen. Welk afschuwelijk doel zou Hitler kunnen hebben? Doudna zei niets in haar hervertellingen van haar droom.

Nu was Doudna's vraag: zou Watters willen werken aan een manier om het te stoppen? Stop CRISPR.

CRISPR wordt gevonden in bacteriën. Het is een miljard jaar oude verdediging tegen plunderende virussen die hun DNA opsporen en een schaarachtig eiwit gebruiken om het in stukjes te hakken. Doudna speelde een sleutelrol bij het transformeren van de vondst in een revolutionair hulpmiddel voor het bewerken van genen dat wereldwijd wordt gebruikt en een golf van nieuw onderzoek en mogelijke genezingen.

Maar als wetenschappers leren om gen-editors in de lichamen van mensen te brengen, wat weerhoudt een gek, terrorist of staat er dan van om CRISPR te gebruiken om schade aan te richten? Mensen stellen zich gepersonaliseerde aanvallen voor die alleen op bepaalde etnische groepen zouden slaan of supersoldaten die zijn bewerkt om geen pijn te voelen. Doudna kende het dilemma maar al te goed. In haar boek Een barst in de schepping , schreef ze dat ze vreesde dat het bewerken van genen onder de aandacht van de wereld zou kunnen komen, zoals atoomkracht deed, in een paddestoelwolk. Zouden ik en andere bezorgde wetenschappers CRISPR van zichzelf kunnen redden … voordat er een ramp plaatsvond?

Nu zou ze een kans krijgen. Eerder in 2016 hadden de Amerikaanse inlichtingendiensten het bewerken van genen aangewezen als een potentieel massavernietigingswapen. In september was het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) tussenbeide gekomen en riep op tot nieuwe manieren om de effecten van genbewerkingstechnologie te beheersen of om te keren. Het programma, genaamd Veilige genen , zou eindigen met een budget van meer dan $ 65 miljoen, waardoor het een van de grootste bronnen van geld voor CRISPR-onderzoek is, afgezien van biotech-startups die nieuwe genetische behandelingen ontwikkelen.

Een probleem, zoals DARPA het zag, was het ontbreken van een gebruiksvriendelijke tegenmaatregel, knop voor ongedaan maken of tegengif voor CRISPR. En hoe krachtiger het bewerken van genen wordt, hoe meer we er misschien een nodig hebben - in het geval van een laboratoriumongeval, of erger. Zoals UC Berkeley het verwoordde in een 2017 persbericht nadat Doudna, met de hulp van Watters, een deel van het grote DARPA-contract opeiste, was de universiteit van plan instrumenten te bouwen om bioterrorismedreigingen tegen te gaan, waaronder wapens die CRISPR zelf gebruiken.

CRISPR-wapens? We laten het aan uw verbeelding over hoe men er precies uit zou kunnen zien. Wat echter veilig kan worden gezegd, is dat DARPA Doudna en anderen heeft gevraagd om profylactische behandelingen te onderzoeken of zelfs pillen die u zou kunnen nemen om genbewerking te stoppen, net zoals u antibiotica kunt slikken als u een antraxbrief in de mail. Wetenschappers onder Doudna's project zeggen dat ze de eerste tests op muizen zullen starten om te zien of de knaagdieren immuun kunnen worden gemaakt voor CRISPR-editors.

Kunnen we CRISPR uitschakelen? vraagt ​​Joseph S. Schoeniger, die een deel van de defensie-inspanningen leidt bij Sandia National Laboratories, in Livermore, Californië. Dat is waar we naar kijken. Het basisconcept is dat deze technologie eraan komt, [dus] zou het niet leuk zijn om een ​​'uit'-schakelaar te hebben.

Jennifer Doudna Alexander Heinl/foto-alliantie/dpa/AP Images

Anti-CRISPR

Tegen de tijd dat Doudna haar voorstel aan DARPA opstelde, hadden andere wetenschappers al één grote aanwijzing voor het stoppen van CRISPR. In de oude strijd tussen bacteriën en de virussen die faag worden genoemd en die hen infecteren, had faag hun eigen tegengif voor CRISPR ontwikkeld. Het is zelfs gevonden dat hun genomen het vermogen herbergen om te produceren wat in wezen CRISPR-kryptoniet is - kleine eiwitten die voortreffelijk zijn afgestemd door evolutie om de tool voor het bewerken van genen uit te schakelen. Wetenschappers noemen deze moleculen anti-CRISPR's.

De eerste anti-CRISPR's werden in 2013 ontdekt door een student aan de Universiteit van Toronto genaamd Joseph Bondy-Denomy. Het was serendipiteit. We stuitten op het feit dat sommige fagen resistent leken te zijn tegen CRISPR. Toen we de faag in een cel stopten, konden de bacteriën zichzelf niet beschermen, zegt Bondy-Denomy, nu professor aan de Universiteit van Californië, San Francisco. Hij richtte zich snel op een van de ongeveer 50 genen van het virus als de reden. We dachten, wauw, misschien zet dit CRISPR uit.

Het aantal laboratoria dat dergelijke verdedigingen bestudeert, is kleiner dan het aantal dat met CRISPR werkt. Maar anti-CRISPR wordt op zichzelf al een bloeiend veld. Er zijn al meer dan 40 anti-CRISPR-eiwitten gevonden, veel door Doudna's lab. Andere teams hebben al vroeg succes met het lokaliseren van conventionele chemicaliën die ook CRISPR kunnen remmen. Vandaag, Amit Choudhary van de Harvard Medical School, in Boston, ook met financiering van DARPA, gemeld hij had twee medicijnen gevonden die genetische modificatie voorkomen wanneer ze worden gemengd met menselijke cellen. Het kenmerk van elke krachtige technologie is controle, zegt Choudhary. Het is zo simpel.

Onderzoekers zoals Bondy-Denomy geloven dat anti-CRISPR's een rol kunnen spelen bij het verbeteren van toekomstige behandelingen voor gen-editing, door onderzoekers preciezere controle te geven. Zo liet een team in Duitsland onlangs zien of ze: gecombineerd CRISPR en anti-CRISPR , zouden ze een editor kunnen maken die het DNA alleen in levercellen zal veranderen, niet in neuronen of spieren.

Een andere toepassing die wordt onderzocht, is of anti-CRISPR een bescherming kan bieden tegen gene drives. De Bill & Melinda Gates Foundation steunt de ontwikkeling van een CRISPR-tool die zich door wilde muggen zal verspreiden, waardoor hun populaties zullen crashen, met het idee om malaria te voorkomen. Anderen willen zulke gene drives bij muizen ontwikkelen, zodat ze de knaagdieren van eilanden kunnen uitroeien zonder gif te gebruiken.

Maar wat als deze experimenten in de war raken en tot uitsterven leiden? Onderzoekers denken dat ze organismen kunnen creëren met anti-CRISPR geprogrammeerd in hun genomen, zodat ze immuun zijn. In een eerste proof of principle, wetenschappers in Kansas vorig jaar ontwikkelde gistcellen met anti-CRISPR om een ​​gene drive te weerstaan. Als een Noord-Koreaans laboratorium naar je toe komt met een gene drive om een ​​economisch belangrijk gewas uit te roeien, zou je een transgeen gewas kunnen hebben dat [resistent is]. Dat is het tekentafelscenario, zegt Erik Sontheimer van de University of Massachusetts Medical School.

Een bio-verrassing

De komst van de CRISPR-tool die medio 2012 begon, verraste wetenschappers. In wezen van de ene op de andere dag werden de ham-vuist manieren van genetische manipulatie vervangen door een goedkope, veelzijdige en programmeerbare manier om DNA in elk levend wezen te veranderen. Voorspellers wiens taak het was om te anticiperen op nieuwe gevaren, hebben CRISPR volledig gemist, zegt Renée Wegrzyn , de biodefensiewetenschapper die het programma van DARPA leidt. Het nederige onvermogen om de toekomst te zien veranderde al snel in een kritieke urgente kwestie voor de nationale veiligheid.

Dat komt omdat onderzoekers, artsen en startups, gesteund door durfkapitalisten, een race begonnen om te leren hoe CRISPR in planten, dieren en mensen kan worden ingezet, met behulp van virussen, injecties, nanodeeltjes of elektrische schokken. En hoe beter ze erin werden, hoe realistischer een soort nieuwe biodreiging zou kunnen worden.

Tegen 2015 begon Doudna zich ook af te vragen hoe CRISPR werd gebruikt in meer routinematige laboratoriumonderzoeksomgevingen. Sommige experimenten zagen er gevaarlijk uit - wat als een afgestudeerde student gewond raakte? We duwen deze technologieën de wereld in en we begeleiden ze niet met de veiligheidsmaatregelen die moeten worden getroffen, vertelde Wegrzyn op een bijeenkomst van de Stichting Long Now , in 2017, in San Francisco. Ik begon echt het gevoel van urgentie te voelen dat iemand hier iets aan moest doen.

In haar toespraak zei Wegrzyn dat het gevaar van CRISPR duidelijk was uit de manier waarop wetenschappers al gebruik maakten van gen-editing om muizen ziek te maken door belangrijke genen weg te knippen. Ik denk niet dat je een biosecurity-expert hoeft te zijn om te erkennen dat er behoefte is aan nauwkeurig onderzoek als je kijkt naar een hulpmiddel dat zowel kan genezen als ziekte kan veroorzaken, vertelde ze aan de bijeenkomst in Californië. Als we een gen-editor onmiddellijk moeten afsluiten, weten we gewoon niet hoe we dit moeten doen.

Er is nog steeds geen overeenstemming over hoe gevaarlijk CRISPR in verkeerde handen kan zijn. Oefeningen van het rode team, gesponsord door de Central Intelligence Agency in de zomer van 2016, waarbij een groep analisten genaamd de Jasons werd gevraagd om hun slechtste ideeën te bedenken, losten de vraag niet op. Later produceerden de National Academies of Sciences, Engineering and Medicine, op verzoek van het ministerie van Defensie, een hele ranglijst van mogelijke bedreigingen van synthetische biologie, waardoor CRISPR-wapens naar het midden van het peloton kwamen. Het leger zei dat het geen onmiddellijk gevaar voor soldaten zag.

Doudna is het ermee eens dat de gevaren van CRISPR niet overdreven moeten worden. Ik krijg deze vragen veel over CRISPR-systemen en snode toepassingen, en ik heb het gevoel dat ik me niet meer of minder zorgen maak over CRISPR dan over andere dingen. Iemand zou het pokkenvirus kunnen synthetiseren, zegt ze. Evenzo, hoewel haar onderzoek kan leiden tot een eventueel tegengif voor gen-editing, richt haar laboratoriumwerk met anti-CRISPR's zich voornamelijk op fundamentele biologische vragen. Ik ben nog bij stap één, zegt ze. Hoe werken deze?

Anderen maken zich echter zorgen dat de risico's al duidelijk zijn en dat tegengif niet snel genoeg kan komen. Sommige wetenschappers hebben bijvoorbeeld geprobeerd de openbare discussie over specifieke CRISPR-onderzoeken te voorkomen, of zelfs de vermelding ervan van internet te verwijderen, vermoedelijk om wetenschappers meer tijd te geven om tegenmaatregelen te ontwikkelen. De algemene heersende houding is om mensen geen nachtmerries te geven terwijl we actief op zoek zijn naar antwoorden. Er is altijd bezorgdheid over een vroege freak-out, zegt Doudna's voormalige medewerker Watters, die in 2018 een recensie schreef van de implicaties van genbewerking voor bioveiligheid .

Een video waarin CRISPR DNA in realtime bewerkt Osamu Nureki, Nature Communications

CRISPR-verdediging

Dit jaar zijn teams van wetenschappers, als onderdeel van Doudna's DARPA-project, van plan om met hun eerste experimenten te beginnen - met muizen - om te bepalen of het mogelijk is om ze te beschermen tegen CRISPR. Een laboratorium dat bij het werk betrokken is, is bij Sandia National Laboratories, dat muizen zal gebruiken die klaar zijn voor bewerking omdat ze zijn ontworpen om in elke cel geboren te worden met de moleculaire schaar van CRISPR, een eiwit genaamd Cas9.

Schoeniger, die de Sandia-inspanning leidt, zegt dat zijn laboratorium de muizen binnenkort zal instrueren om zichzelf te bewerken, maar zal ze ook een injectie met anti-CRISPR-moleculen geven om te zien of het proces wordt geblokkeerd. Anti-CRISPR werkt goed in de natuur, en we proberen te zien of het goed werkt bij dieren, zegt hij.

Schoeniger is van mening dat er een aanzienlijk risico bestaat op accidentele blootstelling aan CRISPR-middelen. Terwijl een grote industrie rond de bewerkingstool springt, wordt CRISPR geformuleerd in gentherapieën, injecties, zalven en voedsel, wat de kans op een laboratoriumongeval verhoogt. Zelfs een geheim biowapenprogramma zal eerder een ontwerperkiem per ongeluk vrijgeven dan een aanval lanceren. Doordat mensen dit in steeds grotere hoeveelheden gebruiken, is de kans groter dat mensen ermee in aanraking komen, gestoken of gespoten worden, zegt hij. En als ik een mutageen in mijn ogen krijg, zou het leuk zijn om ermee te stoppen.

Werken aan een tegengif kan ook nuttig zijn, net als public relations. Het zou op zijn minst de mentale toegankelijkheid van een kwaadaardige persoonlijkheid kunnen verminderen, zegt Schoeniger. Als je het kunt uitschakelen, zullen ze misschien niet de moeite nemen. Vanuit psychologisch oogpunt is het prettig om een ​​'uit'-knop te hebben. Het is mooi om die technologie in de samenleving te positioneren.

Schoeniger heeft niet de illusie dat een tegengif voor CRISPR de bedreigingen zal doen verdwijnen. In feite groeit het veiligheidsprobleem, aangezien laboratoria de tool verbeteren en verwante instrumenten uitvinden, elk met verschillende implicaties voor biodefenders. Wetenschappers kunnen zich verbijsterd voelen door de enorme snelheid waarmee genbewerking, en synthetische biologie in het algemeen, steeds sneller gaat en hoe informatie zich online verspreidt.

We kijken naar het algehele risico van de technologie, hoe deze zich blijft ontwikkelen en hoe moeilijk [het] is om er bovenop te blijven, en hoe snel mensen scenario's uit de weg gaan, en het is moeilijk om dat risico rationeel aan te pakken, zegt Schoeniger. . In de tussentijd, zegt hij, lijkt het een goed begin om te leren hoe je CRISPR, in zijn klassieke, eenvoudigste vorm, kunt blokkeren. Het lijkt voor de hand liggend dat we de technologie willen moduleren, dus laten we dat doen terwijl we proberen de prioriteiten te bepalen, zegt Schoeniger. Tot op zekere hoogte is het een puinhoop; nieuwe technologie explodeert zo snel.

zich verstoppen