Το Wild First Decade του CRISPR Ξυστά μόνο την επιφάνεια των δυνατοτήτων του

Πριν από δέκα χρόνια, ένας ελάχιστα γνωστός βακτηριακός αμυντικός μηχανισμός εκτοξεύτηκε στα ύψη ως ένας ισχυρός επεξεργαστής γονιδιώματος. Στη δεκαετία από τότε, το CRISPR-Cas9 κυκλοφόρησε πολλές παραλλαγές, επεκτείνοντας σε μια ολοκληρωμένη εργαλειοθήκη που μπορεί να επεξεργαστεί τον γενετικό κώδικα της ζωής.

Μακριά από την αναζήτηση ενός πύργου από ελεφαντόδοντο, οι πρακτικές του χρήσεις στην έρευνα, την υγειονομική περίθαλψη και τη γεωργία έγιναν γρήγορα και εξαγριωμένες.

Έχετε δει τους τίτλους. Ο FDA ενέκρινε τη χρήση του σε αντιμετώπιση της υποκείμενης γενετικής μετάλλαξης για τη δρεπανοκυτταρική αναιμία. Μερικοί ερευνητές επεξεργάστηκε ανοσοκύτταρα για την καταπολέμηση μη θεραπεύσιμων καρκίνων του αίματος στα παιδιά. Άλλοι πήραν μεταμοσχεύσεις οργάνων από χοίρο σε άνθρωπο από το όνειρο στην πραγματικότητα σε μια προσπάθεια να ανακουφιστεί η έλλειψη οργάνων δωρητών. Η πρόσφατη εργασία στοχεύει να βοηθήσει εκατομμύρια ανθρώπους με υψηλή χοληστερόλη—και ενδεχομένως να φέρει τη γονιδιακή θεραπεία με βάση το CRISPR στις μάζες—από μειώνοντας τις πιθανότητές τους για καρδιακές παθήσεις με μία μόνο ένεση.

Αλλά για την Δρ Jennifer Doudna, η οποία κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 2020 για τον ρόλο της στην ανάπτυξη του CRISPR, απλώς ξύνουμε την επιφάνεια των δυνατοτήτων του. Μαζί με τον μεταπτυχιακό φοιτητή Joy Wang, η Doudna δημιούργησε έναν οδικό χάρτη για την επόμενη δεκαετία της τεχνολογίας σε ένα άρθρο in Επιστήμη.

Εάν η δεκαετία του 2010 επικεντρωνόταν στην καθιέρωση της εργαλειοθήκης CRISPR και στην απόδειξη της αποτελεσματικότητάς της, αυτή η δεκαετία είναι όταν η τεχνολογία αξιοποιεί πλήρως τις δυνατότητές της. Από τις θεραπείες που βασίζονται στο CRISPR και τις μεγάλης κλίμακας οθόνες για τη διάγνωση ασθενειών έως τη μηχανική καλλιέργειες υψηλής απόδοσης και θρεπτικά τρόφιμα, η τεχνολογία «και ο πιθανός αντίκτυπός της βρίσκονται ακόμα στα αρχικά της στάδια», έγραψαν οι συγγραφείς.

Μια δεκαετία με τα κυριότερα σημεία

Έχουμε χυθεί άφθονο μελάνι για τις προόδους του CRISPR, αλλά αξίζει να επανεξετάσουμε το παρελθόν για να προβλέψουμε το μέλλον — και ενδεχομένως να εντοπίσουμε προβλήματα στην πορεία.

Ένα πρώιμο χαρακτηριστικό ήταν η απίστευτη ικανότητα του CRISPR να κατασκευάζει γρήγορα ζωικά μοντέλα ασθενειών. Η αρχική του μορφή αφαιρεί εύκολα ένα στοχευμένο γονίδιο σε ένα πολύ πρώιμο έμβρυο, το οποίο όταν μεταμοσχευθεί σε μια μήτρα μπορεί να δημιουργήσει γενετικά τροποποιημένα ποντίκια σε μόλις ένα μήνα, σε σύγκριση με ένα χρόνο με προηγούμενες μεθόδους. Πρόσθετες εκδόσεις CRISPR, όπως η βασική επεξεργασία - η εναλλαγή ενός γενετικού γράμματος με ένα άλλο - και η αρχική επεξεργασία - η οποία κόβει το DNA χωρίς να κόβει και τους δύο κλώνους - ενίσχυσαν περαιτέρω την ευελιξία της εργαλειοθήκης στη μηχανική γενετικά τροποποιημένων οργανοειδών.σκέψου μίνι-εγκεφάλους) και τα ζώα. Το CRISPR καθιέρωσε γρήγορα δεκάδες μοντέλα για μερικές από τις πιο καταστροφικές και περίπλοκες ασθένειές μας, συμπεριλαμβανομένων των διαφόρων καρκίνων, του Αλτσχάιμερ και της μυϊκής δυστροφίας Duchenne—μια εκφυλιστική διαταραχή στην οποία ο μυς σιγά-σιγά χάνεται. Δεκάδες δοκιμές που βασίζονται στο CRISPR είναι τώρα στα έργα.

Το CRISPR επιτάχυνε επίσης τον γενετικό έλεγχο στην εποχή των μεγάλων δεδομένων. Αντί να στοχεύουμε ένα γονίδιο κάθε φορά, είναι πλέον δυνατό να σιωπήσουμε, ή να ενεργοποιήσουμε, χιλιάδες γονίδια παράλληλα, σχηματίζοντας ένα είδος λίθου της Ροζέτας για τη μετάφραση των γενετικών διαταραχών σε βιολογικές αλλαγές. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την κατανόηση των γενετικών αλληλεπιδράσεων, όπως αυτές στον καρκίνο ή τη γήρανση που δεν γνωρίζαμε προηγουμένως, και για την απόκτηση νέων πυρομαχικών για την ανάπτυξη φαρμάκων.

Αλλά ένα κορυφαίο επίτευγμα για το CRISPR ήταν η πολυπλεξία επεξεργασίας. Όπως το ταυτόχρονο χτύπημα σε πολλά πλήκτρα πιάνου, αυτός ο τύπος γενετικής μηχανικής στοχεύει πολλαπλές συγκεκριμένες περιοχές DNA, αλλάζοντας γρήγορα τη γενετική σύνθεση ενός γονιδιώματος με μία κίνηση.

Η τεχνολογία λειτουργεί σε φυτά και ζώα. Για αιώνες, οι άνθρωποι εκτρέφουν με κόπο καλλιέργειες με επιθυμητά χαρακτηριστικά—είτε είναι χρώμα, μέγεθος, γεύση, διατροφή ή ανθεκτικότητα σε ασθένειες. Το CRISPR μπορεί να βοηθήσει στην επιλογή πολλαπλών χαρακτηριστικών ή ακόμα και στην εξημέρωση νέων καλλιεργειών σε μία μόνο γενιά. Ταύροι χωρίς κέρατα που δημιουργήθηκαν από το CRISPR, ντομάτες πλούσιες σε θρεπτικά συστατικάκαι υπερμυϊκά ζώα φάρμας και ψάρια είναι ήδη πραγματικότητα. Με τον παγκόσμιο πληθυσμό αγγίζοντας τα 8 δισεκατομμύρια το 2022 και εκατομμύρια που υποφέρουν από την πείνα, οι καλλιέργειες CRISPRed μπορεί να προσφέρουν σανίδα σωτηρίας—δηλαδή, εάν οι άνθρωποι είναι πρόθυμοι να αποδεχθούν την τεχνολογία.

Η πορεία προς τα εμπρός

Πού πάμε από εδώ?

Για τους συγγραφείς, πρέπει να ενισχύσουμε περαιτέρω την αποτελεσματικότητα του CRISPR και να οικοδομήσουμε εμπιστοσύνη. Αυτό σημαίνει επιστροφή στα βασικά για να αυξήσετε την ακρίβεια επεξεργασίας και την ακρίβεια του εργαλείου. Εδώ, οι πλατφόρμες για την ταχεία εξέλιξη των ενζύμων Cas, το συστατικό «ψαλίδι» του μηχανήματος CRISPR, είναι κρίσιμες.

Έχουν ήδη σημειωθεί επιτυχίες: μία έκδοση Cas, για παράδειγμα, λειτουργεί ως προστατευτικό κιγκλίδωμα για το συστατικό στόχευσης — το sgRNA "bloodhound". Στο κλασικό CRISPR, το sgRNA λειτουργεί μόνο του, αλλά σε αυτήν την ενημερωμένη έκδοση, δυσκολεύεται να συνδεθεί χωρίς τη βοήθεια Cas. Αυτό το τέχνασμα βοηθά στην προσαρμογή της επεξεργασίας σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία DNA και αυξάνει την ακρίβεια, ώστε η περικοπή να λειτουργεί όπως προβλέπεται.

Παρόμοιες στρατηγικές μπορούν επίσης να ενισχύσουν την ακρίβεια με λιγότερες παρενέργειες ή να εισάγουν νέα γονίδια σε κύτταρα όπως οι νευρώνες και άλλα που δεν διαιρούνται πλέον. Αν και είναι ήδη δυνατή με την αρχική επεξεργασία, η αποτελεσματικότητά της μπορεί να είναι 30 φορές χαμηλότερα από τους κλασικούς μηχανισμούς CRISPR.

"Ένας κύριος στόχος για την αρχική επεξεργασία την επόμενη δεκαετία είναι η βελτίωση της αποτελεσματικότητας χωρίς να διακυβεύεται η καθαρότητα του προϊόντος επεξεργασίας - ένα αποτέλεσμα που έχει τη δυνατότητα να μετατρέψει την αρχική επεξεργασία σε ένα από τα πιο ευέλικτα εργαλεία για επεξεργασία ακριβείας", είπαν οι συγγραφείς.

Αλλά ίσως πιο σημαντικό είναι η παράδοση, η οποία παραμένει εμπόδιο ειδικά για τη θεραπεία. Επί του παρόντος, το CRISPR χρησιμοποιείται γενικά σε κύτταρα έξω από το σώμα που εγχέονται πίσω —όπως στην περίπτωση του CAR-T— ή σε ορισμένες περιπτώσεις, προσδένονται σε φορέα ιού ή εγκλείονται σε φυσαλίδες λίπους και εγχέονται στο σώμα. Υπήρξαν επιτυχίες: σε 2021, ο FDA ενέκρινε το πρώτη βολή με βάση το CRISPR για την αντιμετώπιση μιας γενετικής ασθένειας του αίματος, την αμυλοείδωση της τρανσθυρετίνης.

Ωστόσο, και οι δύο στρατηγικές είναι προβληματικές: δεν μπορούν να επιβιώσουν πολλοί τύποι κυττάρων από τη θεραπεία CAR-T - πεθαίνουν όταν επανεισαχθούν στο σώμα - και η στόχευση συγκεκριμένων ιστών και οργάνων παραμένει ως επί το πλείστον απρόσιτη για ενέσιμες θεραπείες.

Μια βασική πρόοδος για την επόμενη δεκαετία, είπαν οι συγγραφείς, είναι η μεταφορά του φορτίου CRISPR στον στοχευόμενο ιστό χωρίς βλάβη και η απελευθέρωση του επεξεργαστή γονιδίων στο σημείο που προορίζεται. Καθένα από αυτά τα βήματα, αν και φαινομενικά απλό σε χαρτί, παρουσιάζει το δικό του σύνολο προκλήσεων που θα απαιτήσουν τόσο τη βιομηχανική όσο και την καινοτομία για να ξεπεραστούν.

Τέλος, το CRISPR μπορεί να συνεργαστεί με άλλες τεχνολογικές εξελίξεις, είπαν οι συγγραφείς. Για παράδειγμα, αξιοποιώντας την κυτταρική απεικόνιση και τη μηχανική μάθηση, θα μπορούσαμε σύντομα να δημιουργήσουμε ακόμη πιο αποτελεσματικούς επεξεργαστές γονιδιώματος. Χάρη σε ταχύτερη και φθηνότερη αλληλουχία DNA, μπορούμε στη συνέχεια να παρακολουθούμε εύκολα τις συνέπειες της γονιδιακής επεξεργασίας. Αυτά τα δεδομένα μπορούν στη συνέχεια να παρέχουν ένα είδος μηχανισμού ανάδρασης με τον οποίο μπορούν να κατασκευαστούν ακόμη πιο ισχυροί επεξεργαστές γονιδιώματος σε έναν ενάρετο βρόχο.

Αντίκτυπος στον πραγματικό κόσμο

Αν και η περαιτέρω επέκταση της εργαλειοθήκης CRISPR είναι στην ημερήσια διάταξη, η τεχνολογία είναι αρκετά ώριμη ώστε να επηρεάσει τον πραγματικό κόσμο στη δεύτερη δεκαετία της, είπαν οι συγγραφείς.

Στο εγγύς μέλλον, θα πρέπει να δούμε «έναν αυξημένο αριθμό θεραπειών που βασίζονται στο CRISPR να μετακινούνται σε μεταγενέστερα στάδια κλινικών δοκιμών». Κοιτάζοντας πιο μπροστά, η τεχνολογία, ή οι παραλλαγές της, θα μπορούσαν να κάνουν τις ξενομεταμοσχεύσεις οργάνων χοίρου σε άνθρωπο ρουτίνα, παρά πειραματικές. Έλεγχοι μεγάλης κλίμακας για γονίδια που οδηγούν σε γήρανση ή εκφυλιστικές παθήσεις του εγκεφάλου ή της καρδιάς -οι κορυφαίοι δολοφόνοι μας σήμερα- θα μπορούσαν να αποφέρουν προφυλακτικές θεραπείες με βάση το CRISPR. Δεν είναι εύκολο έργο: χρειαζόμαστε τόσο γνώση της γενετικής που κρύβεται πίσω από πολύπλευρες γενετικές ασθένειες—δηλαδή όταν παίζουν πολλά γονίδια— όσο και έναν τρόπο να παραδίδουμε τα εργαλεία επεξεργασίας στον στόχο τους. «Αλλά τα πιθανά οφέλη μπορεί να οδηγήσουν την καινοτομία σε αυτούς τους τομείς πολύ πέρα ​​από αυτό που είναι δυνατό σήμερα», είπαν οι συγγραφείς.

Ωστόσο, με μεγαλύτερη δύναμη έρχεται και μεγαλύτερη ευθύνη. Το CRISPR έχει προχωρήσει με ιλιγγιώδη ταχύτητα και οι ρυθμιστικοί φορείς και το κοινό εξακολουθούν να αγωνίζονται να καλύψουν τη διαφορά. Ίσως το πιο διαβόητο παράδειγμα ήταν αυτό του Μωρά CRISPR, όπου τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν ενάντια στις παγκόσμιες ηθικές κατευθυντήριες γραμμές ωθείται μια διεθνής κοινοπραξία για να καθορίσει μια κόκκινη γραμμή για την επεξεργασία ανθρώπινων γεννητικών κυττάρων.

Ομοίως, οι γενετικά τροποποιημένοι οργανισμοί (ΓΤΟ) παραμένουν ένα αμφιλεγόμενο θέμα. Παρόλο που το CRISPR είναι πολύ πιο ακριβές από τα προηγούμενα γενετικά εργαλεία, εναπόκειται στους καταναλωτές να αποφασίσουν εάν θα καλωσορίσουν μια νέα γενιά τροφίμων που έχουν εξελιχθεί από τον άνθρωπο— φυτικά και ζωικά.

Αυτά είναι σημαντικές συνομιλίες που χρειάζονται παγκόσμιο λόγο καθώς το CRISPR μπαίνει στη δεύτερη δεκαετία του. Αλλά για τους συγγραφείς, το μέλλον φαίνεται λαμπρό.

«Ακριβώς όπως κατά την έλευση της επεξεργασίας γονιδιώματος CRISPR, ένας συνδυασμός επιστημονικής περιέργειας και επιθυμίας να ωφεληθεί η κοινωνία θα οδηγήσει την επόμενη δεκαετία καινοτομίας στην τεχνολογία CRISPR», είπαν. «Συνεχίζοντας να εξερευνούμε τον φυσικό κόσμο, θα ανακαλύψουμε ό,τι δεν μπορούμε να φανταστούμε και θα το χρησιμοποιήσουμε στον πραγματικό κόσμο προς όφελος του πλανήτη».

Image Credit: ΝΙΗ

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/01/25/crisprs-wild-first-decade-only-scratches-the-surface-of-its-potential/