Il selvaggio primo decennio di CRISPR graffia solo la superficie del suo potenziale

Dieci anni fa, un meccanismo di difesa batterica poco conosciuto è salito alle stelle come potente editor di genomi. Nel decennio successivo, CRISPR-Cas9 ha prodotto molteplici varianti, espandendosi in una cassetta degli attrezzi completa in grado di modificare il codice genetico della vita.

Lungi dall'essere una ricerca della torre d'avorio, i suoi usi pratici nella ricerca, nella sanità e nell'agricoltura sono arrivati ​​veloci e furiosi.

Hai visto i titoli. La FDA ne ha approvato l'uso in affrontare la mutazione genetica sottostante per l'anemia falciforme. Alcuni ricercatori cellule immunitarie modificate per combattere i tumori del sangue non curabili nei bambini. Altri hanno preso trapianti di organi da maiale a uomo dal sogno alla realtà nel tentativo di alleviare la carenza di organi da donatori. Il lavoro recente mira ad aiutare milioni di persone con colesterolo alto e potenzialmente portare la terapia genica basata su CRISPR alle masse, riducendo le loro possibilità di malattie cardiache con una sola iniezione.

Ma alla dottoressa Jennifer Doudna, che ha vinto il premio Nobel nel 2020 per il suo ruolo nello sviluppo di CRISPR, stiamo solo grattando la superficie del suo potenziale. Insieme alla studentessa laureata Joy Wang, Doudna ha tracciato una tabella di marcia per il prossimo decennio della tecnologia in un articolo in Scienze.

Se gli anni 2010 si sono concentrati sulla creazione del toolbox CRISPR e sulla dimostrazione della sua efficacia, questo decennio è quando la tecnologia raggiunge il suo pieno potenziale. Dalle terapie basate su CRISPR e gli schermi su larga scala per la diagnostica delle malattie alla progettazione di colture ad alto rendimento e alimenti nutrienti, la tecnologia "e il suo potenziale impatto sono ancora nelle fasi iniziali", hanno scritto gli autori.

Un decennio di momenti salienti

Abbiamo versato molto inchiostro sui progressi di CRISPR, ma vale la pena rivisitare il passato per prevedere il futuro e potenzialmente scovare problemi lungo il percorso.

Uno dei primi punti salienti è stata l'incredibile capacità di CRISPR di progettare rapidamente modelli animali di malattia. La sua forma originale elimina facilmente un gene mirato in un embrione molto precoce, che una volta trapiantato in un grembo materno può generare topi geneticamente modificati in appena un mese, rispetto a un anno utilizzando i metodi precedenti. Versioni aggiuntive di CRISPR, come l'editing di base - scambiando una lettera genetica con un'altra - e l'editing principale - che taglia il DNA senza tagliare entrambi i filamenti - ha ulteriormente potenziato la flessibilità del toolkit nell'ingegnerizzare organoidi geneticamente modificati (pensa ai mini-cervelli) e animali. CRISPR ha stabilito rapidamente dozzine di modelli per alcune delle nostre malattie più devastanti e sconcertanti, tra cui vari tipi di cancro, l'Alzheimer e la distrofia muscolare di Duchenne, una malattia degenerativa in cui il muscolo si consuma lentamente. Sono ora in corso dozzine di studi basati su CRISPR nelle opere.

CRISPR ha anche accelerato lo screening genetico nell'era dei big data. Piuttosto che prendere di mira un gene alla volta, è ora possibile mettere a tacere o attivare migliaia di geni in parallelo, formando una sorta di stele di Rosetta per tradurre le perturbazioni genetiche in cambiamenti biologici. Ciò è particolarmente importante per comprendere le interazioni genetiche, come quelle nel cancro o nell'invecchiamento di cui non eravamo a conoscenza in precedenza, e ottenere nuove munizioni per lo sviluppo di farmaci.

Ma un risultato importante per CRISPR è stato il montaggio multiplex. Come il tocco simultaneo su più tasti di un pianoforte, questo tipo di ingegneria genetica prende di mira più aree specifiche del DNA, modificando rapidamente la composizione genetica di un genoma in una volta sola.

La tecnologia funziona su piante e animali. Per eoni, le persone hanno scrupolosamente allevato raccolti con caratteristiche desiderabili, che si tratti di colore, dimensioni, gusto, nutrizione o resistenza alle malattie. CRISPR può aiutare a selezionare più tratti o persino addomesticare nuove colture in una sola generazione. Tori senza corna generati da CRISPR, pomodori ricchi di nutrientie animali da fattoria ipermuscolari e pesce sono già realtà. Con la popolazione mondiale raggiungendo gli 8 miliardi nel 2022 ed milioni che soffrono la fame, CRISP Le colture rosse possono dare un'ancora di salvezza, cioè se le persone sono disposte ad accettare la tecnologia.

Il percorso in avanti

Dove andiamo da qui?

Per gli autori, dobbiamo rafforzare ulteriormente l'efficacia di CRISPR e creare fiducia. Ciò significa tornare alle origini per aumentare l'accuratezza e la precisione di modifica dello strumento. Qui, le piattaforme per far evolvere rapidamente gli enzimi Cas, il componente "a forbice" del macchinario CRISPR, sono fondamentali.

Ci sono già stati successi: una versione Cas, per esempio, funge da guardrail per il componente di targeting, il "segugio" di sgRNA. Nel classico CRISPR, lo sgRNA funziona da solo, ma in questa versione aggiornata fatica a legarsi senza l'assistenza di Cas. Questo trucco aiuta ad adattare la modifica a un sito specifico del DNA e aumenta la precisione in modo che il taglio funzioni come previsto.

Strategie simili possono anche aumentare la precisione con meno effetti collaterali o inserire nuovi geni in cellule come i neuroni e altri che non si dividono più. Sebbene sia già possibile con il prime editing, la sua efficienza può esserlo 30 volte inferiore rispetto ai classici meccanismi CRISPR.

"Un obiettivo principale per il prime editing nel prossimo decennio è migliorare l'efficienza senza compromettere la purezza del prodotto di editing, un risultato che ha il potenziale per trasformare il prime editing in uno degli strumenti più versatili per l'editing di precisione", hanno affermato gli autori.

Ma forse più importante è il parto, che rimane un collo di bottiglia soprattutto per le terapie. Attualmente, CRISPR viene generalmente utilizzato su cellule esterne al corpo che vengono reinfuse, come nel caso di CAR-T, o in alcuni casi, legate a un vettore virale o incapsulate in bolle di grasso e iniettate nel corpo. Ci sono stati successi: in 2021, la FDA ha approvato il primo colpo basato su CRISPR per affrontare una malattia genetica del sangue, l'amiloidosi da transtiretina.

Eppure entrambe le strategie sono problematiche: non molti tipi di cellule possono sopravvivere al trattamento CAR-T, morendo quando vengono reintrodotte nel corpo, e il targeting di tessuti e organi specifici rimane per lo più fuori dalla portata delle terapie iniettabili.

Un progresso chiave per il prossimo decennio, hanno affermato gli autori, è quello di trasportare il carico CRISPR nel tessuto mirato senza danni e rilasciare l'editor del gene nel punto previsto. Ognuno di questi passaggi, sebbene apparentemente semplice sulla carta, presenta una serie di sfide che richiederanno sia la bioingegneria che l'innovazione per essere superate.

Infine, CRISPR può entrare in sinergia con altri progressi tecnologici, hanno affermato gli autori. Ad esempio, attingendo all'imaging cellulare e all'apprendimento automatico, potremmo presto progettare editor di genomi ancora più efficienti. Grazie a sequenziamento del DNA più rapido ed economico, possiamo quindi monitorare facilmente le conseguenze dell'editing genetico. Questi dati possono quindi fornire una sorta di meccanismo di feedback con cui progettare editor di genomi ancora più potenti in un ciclo virtuoso.

Impatto nel mondo reale

Sebbene sia all'ordine del giorno un'ulteriore espansione della cassetta degli attrezzi CRISPR, la tecnologia è sufficientemente matura per avere un impatto sul mondo reale nel suo secondo decennio, hanno affermato gli autori.

Nel prossimo futuro, dovremmo vedere "un numero maggiore di trattamenti basati su CRISPR che passano a fasi successive degli studi clinici". Guardando più avanti, la tecnologia, o le sue varianti, potrebbero rendere gli xenotrapianti di organi da maiale a uomo di routine, piuttosto che sperimentali. Schermi su larga scala per i geni che portano all'invecchiamento o alle malattie degenerative del cervello o del cuore - i nostri principali assassini oggi - potrebbero produrre trattamenti profilattici basati su CRISPR. Non è un compito facile: abbiamo bisogno sia della conoscenza della genetica alla base di malattie genetiche multiformi, cioè quando entrano in gioco più geni, sia di un modo per fornire gli strumenti di modifica al loro obiettivo. "Ma i potenziali benefici possono guidare l'innovazione in queste aree ben oltre ciò che è possibile oggi", hanno affermato gli autori.

Tuttavia, con un potere maggiore derivano maggiori responsabilità. CRISPR è avanzato a una velocità vertiginosa e le agenzie di regolamentazione e il pubblico stanno ancora lottando per recuperare il ritardo. Forse l'esempio più noto è stato quello del Bambini CRISPR, dove sono stati condotti esperimenti contro le linee guida etiche globali a propulsione un consorzio internazionale per stabilire una linea rossa per l'editing delle cellule germinali umane.

Allo stesso modo, gli organismi geneticamente modificati (OGM) rimangono un argomento controverso. Sebbene CRISPR sia molto più preciso dei precedenti strumenti genetici, spetterà ai consumatori decidere se dare il benvenuto una nuova generazione di alimenti evoluti dall'uomo—sia vegetali che animali.

È prodotto in conversazioni importanti che richiedono un discorso globale mentre CRISPR entra nel suo secondo decennio. Ma per gli autori, il futuro sembra roseo.

"Proprio come durante l'avvento dell'editing del genoma CRISPR, una combinazione di curiosità scientifica e desiderio di apportare benefici alla società guiderà il prossimo decennio di innovazione nella tecnologia CRISPR", hanno affermato. "Continuando a esplorare il mondo naturale, scopriremo ciò che non può essere immaginato e lo utilizzeremo nel mondo reale a beneficio del pianeta".

Immagine di credito: NIH

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/01/25/crisprs-wild-first-decade-only-scratches-the-surface-of-its-potential/