Funktionsweise der CRISPR-Geneditierung

Mutanten sind cool, oder? X-Men, Teenage Mutant Ninja Turtles und Superhelden aus Comics und Filmen begeistern uns mit den besonderen Kräften, die aus ihren genetischen Mutationen stammen. Diese fiktiven genetischen Mutationen sind jedoch schwer zu bekommen – Sie müssen von einer speziellen Spinne gebissen oder einer radioaktiven Substanz ausgesetzt worden sein.

Aber was wäre, wenn genetische Veränderungen nicht nur einfach, sondern auch schnell und billig wären? Würdest du bereitwillig ein Mutant werden? Nun, mit einer Technologie namens CRISPR können Sie das vielleicht. Verstehen Sie uns nicht falsch – CRISPR wird Sie nicht in einen Superhelden verwandeln, aber diese wissenschaftliche Entdeckung hat das Potenzial, uns stark zu beeinflussen.

CRISPR ist die Abkürzung für „ Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats “ und ermöglicht es uns, Gene von jedem Lebewesen in ein anderes zu verschieben und so die DNA für kommende Generationen zu verändern. Es ermöglicht uns, Gene, die schreckliche Dinge tun – wie diejenigen, die Krankheiten verursachen – wegzuschneiden und sie durch harmlose DNA-Segmente zu ersetzen.

Gleichzeitig ist die CRISPR-Technologie so leistungsfähig, dass Menschen damit beginnen könnten, sie für mehr als nur die Heilung von Krankheiten einzusetzen. Vielleicht, um krankheitsresistentere Pflanzen und Nutztiere zu schaffen. Oder um Hefemutanten herzustellen, die Kraftstoffe produzieren, mit denen wir unsere Autos antreiben können. Wir könnten anfangen, wirklich kreativ zu werden und Designer-Babys zu machen oder die Technologie sogar für das Böse zu nutzen – Biowaffen zu entwickeln, die artspezifisch sind und ganze Arten vom Antlitz des Planeten auslöschen.

Während wir mehr darüber erfahren, was der MIT Technology Review als „die größte biotechnologische Entdeckung des Jahrhunderts“ bezeichnete, müssen wir auch darüber nachdenken, wann wir CRISPR verwenden und wie es reguliert werden sollte.

1. Bakterielle Attentäter
2. Designer-Babys, invasive Mutanten und DIY-Biologie

Während die CRISPR-Technologie ziemlich großartig ist, ist es nichts Neues, dass Menschen verschiedene Organismen genetisch verändern. Auf der Low-Tech-Seite züchten wir seit langem selektiv Nutzpflanzen. Als Landwirte auf eine saftige Orange oder eine bunte Tomate stießen, bewahrten sie diese wünschenswerten Gene, indem sie Samen dieser Pflanze pflanzten.

Aber in den letzten Jahren haben wir die Biotechnologie eine Stufe höher getrieben. In den frühen 2000er Jahren fanden Wissenschaftler heraus, wie man Enzyme, sogenannte Zinkfinger-Nukleasen, verwendet, um bestimmte unerwünschte Gene in einer Vielzahl von Organismen zu löschen und zu ersetzen. Die Zinkfingerenzyme waren jedoch teuer (über 5.000 Dollar pro Stück), schwer herzustellen und die Erfolgsrate war nicht optimal [Quelle: Ledford ].

Während also die Technologie zur Bearbeitung von Genen vorhanden war, schien die Idee, die DNA eines Organismus absichtlich zu verändern, erst mit dem Aufkommen von CRISPR in greifbare Nähe gerückt. Der erste Hinweis auf CRISPR erfolgte 1987 in einem Zeitschriftenartikel, in dem Wissenschaftler berichteten, dass sie die kurzen DNA-Wiederholungen, die die Grundlage der Technologie bilden, in E. coli - Bakterien gefunden haben. Aber erst 2012 wurde CRISPR relevant. Seitdem ist die Verwendung von CRISPR in der wissenschaftlichen Gemeinschaft sprunghaft angestiegen. Mehr als eine Milliarde Dollar wurden als Startkapital für Biotechnologieunternehmen aufgebracht, die diese Technik anwenden [Quelle: Ledford ]. Auch die staatliche Förderung der CRISPR-Forschung geht durch die Decke.

Allein im Jahr 2014 wurden von den National Institutes of Health fast 90 Millionen US-Dollar für die CRISPR-Forschung bereitgestellt [Quelle: Ledford ]. Und seit 2010 wurden über 200 Patente im Zusammenhang mit CRISPR angemeldet [Quelle: Ledford ]. Das rasante Forschungstempo scheint sich nicht zu verlangsamen. Während Wissenschaftler mehr über CRISPR erfahren, scheinen sie weniger darüber zu lernen, wie begrenzt die Technik ist, sondern darüber, wie leistungsfähig sie ist. T

Was also macht diese Technik so mächtig?

1987 entdeckten Wissenschaftler, die E. coli untersuchten , wiederholte Segmente in der DNA des Bakteriums. Diese Art von Muster in bakterieller DNA ist ungewöhnlich, also wurden sie munter, als sie es bemerkten, und berichteten über den Befund. Im Laufe der Zeit entdeckten Wissenschaftler dieses Muster bei vielen verschiedenen Arten von Bakterien, aber es gab immer noch keine Hypothese darüber, was es war und warum es da war. Aber im Jahr 2005 zeigte eine Suche in einer DNA-Datenbank, dass die „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“ (oder CRISPR) mit Virus-DNA übereinstimmten.

Aber warum sollten Bakterien Virus-DNA versteckt haben? Der Wissenschaftler Eugene Koonin stellte die Hypothese auf, dass Bakterien, wenn sie einen Virusangriff überleben, das Virus in kleine Stücke schneiden und einen Teil der Virus-DNA in ihrem eigenen Genom speichern, damit sie das Virus später erkennen und angreifen können, wenn sie ihm zufällig wieder begegnen. Sie bewahren im Grunde genommen ein Bild des Virus in ihrer Gesäßtasche auf, damit sie den Bösewicht erkennen würden, falls er jemals wieder auftauchen sollte – ein bemerkenswerter Abwehrmechanismus des bakteriellen Immunsystems.

Koonins Hypothese war richtig. Wenn dieses Virus erneut zuschlägt, produzieren die Bakterien spezielle "Attentäter". Diese Attentäter können die RNA-Sequenz jeder Virus-DNA lesen, auf die sie stoßen, erkennen, ob sie mit den Informationen übereinstimmt, die sie in ihrer DNA gespeichert haben, sie einfangen und zerhacken. Es ist, als hätten die Bakterien ganz spezifische, intelligente Scheren geschaffen.

Diese Entdeckung war ziemlich cool, aber nicht so cool wie das, was die Wissenschaftlerin Jennifer Doudna von der University of California, Berkeley (die seitdem zusammen mit Emmanuelle Charpentier für ihre Arbeit an CRISPR den Nobelpreis für Chemie 2020 gewonnen hat ) mit den Informationen zu tun dachte. Sie schlug vor, dass Wissenschaftler CRISPR als Werkzeug verwenden könnten, um ihnen bei der Bearbeitung von Genen zu helfen. Wenn sie die Bakterien mit einem DNA-Segment ausstatten, das bekanntermaßen schlecht ist – sagen wir ein Gen, das Blindheit verursacht – könnten sie die Bakterien hineinschicken, um das schlechte Gen zu suchen, wo die Bakterien es finden und töten würden. Und dann könnten wir den natürlichen Reparaturmechanismus in den Bakterienzellen nutzen, um ein wünschenswerteres Gen an seine Stelle zu werfen [Quelle: RadioLab ].

Es funktionierte! Und es funktionierte weiter! Die Umkehrung von Blindheitsmutationen war nur eine der Möglichkeiten, wie CRISPR funktioniert. Es hat die Vermehrung von Krebszellen gestoppt, Zellen undurchlässig für HIV gemacht, uns geholfen, krankheitsresistenten Weizen und Reis herzustellen, und unzählige andere Fortschritte. Im Jahr 2015 versuchten chinesische Wissenschaftler sogar, die Technologie auf nicht lebensfähige menschliche Embryonen anzuwenden, aber in nur wenigen Fällen führte CRISPR die richtigen Schnitte an der DNA durch [Quelle: Maxmen ].

Aber das wirft die Frage auf: Wollen wir es überhaupt bei Embryonen anwenden? Sollen wir das dürfen? Wer wird die Verwendung von CRISPR regulieren?

Die CRISPR-Technologie ist so relativ neu, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft ihre gesamte Leistungsfähigkeit noch nicht vollständig verstanden hat. Aber eines ist sicher – sie wissen, dass ihre Fähigkeit, die menschliche Rasse zu beeinflussen, von keiner anderen Biotechnologie übertroffen werden kann . Angesichts dieses großen Potenzials ist es zwingend erforderlich, Vorschriften für seine Verwendung zu entwickeln. Aber das halsbrecherische Tempo, mit dem im Labor geforscht wird, ließ wenig Zeit für Diskussionen darüber, wie die Regeln für Forschung und Nutzung aussehen sollten. Es klingt großartig, dass CRISPR schlechte, unerwünschte Gene wegschneiden und durch wünschenswertere ersetzen kann. Aber wer sagt, was schlecht und was gut ist?

Ohne jegliche Regulierung könnte CRISPR so weit entwickelt werden, dass es sicher an einem menschlichen Embryo verwendet werden kann, um dessen DNA zu verändern. Würden Eltern CRISPR ablehnen, wenn sie erfahren würden, dass ihr Kind das Gen für die Huntington-Krankheit hat und dass CRISPR es entfernen könnte, bevor das Baby geboren wird? Und wenn wir den Eltern erlauben würden, diese Entscheidungen über das Durcheinander mit der DNA ihres Babys zu treffen, bevor es oder sie geboren wird, wo würde das aufhören? Könnten sie sich entscheiden, ihr Baby groß statt klein zu machen? Blond statt brünett? Die Veränderungen, die Eltern ihrem Kind mitgeben könnten, wären dauerhafte Veränderungen, die über Generationen weitergegeben würden. Wenn sich dieses Szenario bewahrheitet, ist es leicht zu sehen, wie es die Kluft zwischen Besitzenden und Habenichtsen verstärken könnte. Und wir wissen nicht, was langfristig aus einem Kind wird, dessen Gene ersetzt werden.

Im Dezember 2015 traf sich eine Gruppe von Wissenschaftlern, Bioethikern und Politikexperten aus verschiedenen Ländern, um über die Regulierung der Bearbeitung menschlicher Gene zu sprechen. Ein US-Experte erwähnte, dass die Food and Drug Administration nicht nur die Technologie, sondern auch ihre spezifische Verwendung regulieren müsse, um Off-Label-Use zu verhindern. Sie erwähnte auch, dass die Bearbeitung von Pflanzengenen ein größeres Risiko darstellen könnte als die Bearbeitung menschlicher Gene [Quelle: Regulatory Affairs Professionals Society ].

Angesichts der großen Leistungsfähigkeit dieser Technologie müssen Fragen zu CRISPR getrennt von denen zu gentechnisch veränderten Organismen behandelt werden . Alle auf der ganzen Welt auf die gleiche Seite zu bringen, wird jedoch weiterhin eine Herausforderung sein.

Ursprünglich veröffentlicht: 3. Mai 2016

Anmerkung des Autors: Funktionsweise der CRISPR-Genbearbeitung

Solche Artikel zu schreiben macht mir Angst. Diese Technologie ist so spannend. Die Implikationen scheinen im Allgemeinen sehr cool zu sein, aber es fühlt sich auch so an, als hätten wir begonnen, so viel darüber herauszufinden, wie wir das Leben mit Technologie manipulieren können, dass wir es irgendwann vermasseln werden. CRISPR gibt uns so viel Kraft – und das auf eine Weise, die wir nicht vorhersehen können. Die Welt funktioniert gut, weißt du? Es ist einfach beängstigend, damit herumzuspielen. Andererseits, wie könnten wir eine so mächtige Technik ignorieren, die uns auf so viele Arten helfen könnte?

Zum Thema passende Artikel

Weitere tolle Links