CRISPR forklarede: verdens mest kraftfulde saks

Genetikverdenen har været lige dele løfter og kontroverser siden dens indtræden i den offentlige tidsånd i det 20. århundrede. Især genteknologi har været så fast i forførelse og uro, at det af nogle bliver betragtet som sort magi. Fremtrædende personer med ellers sunde sind erklærer ofte den forsætlige ændring af DNA, især menneskeligt DNA, som etisk ersatz. 

Mennesker har brugt genteknologi i årtusinder

Sådanne generelle fordømmelser afspejler en verden, der ikke har eksisteret i årtusinder. Det mest oplagte eksempel er fødevarer, specielt af GMO-sorten. Disse massive, livlige, saftige Red Delicious æbler, der flyver fra købmandshylderne, er en afvigelse sammenlignet med deres før-menneskelige forfædre.

Ved at krydse specifikke æblesorter var mennesker i stand til at udbrede de gener, der førte til foretrukne fænotyper (fysiske manifestationer). Endnu vigtigere er det, at valget af tørke-resistente versioner af hæfteklammer såsom korn og ris har reddet mange en stor civilisation fra sult-induceret kollaps. 

Husdyr giver en endnu mere iøjnefaldende kontrast. Ulve er voldsomme, territoriale rovdyr. De er op til 180 pund af ren terror, som få mennesker bedst kunne i en duel med. Teacup Pomeranians vejer derimod otte pund gennemblødt, og ethvert menneske, der taber en kamp til en, er ikke værdigt til at videregive sit genetiske materiale.

At en af ​​verdens dygtigste jægere blev reduceret til en pustende fnugbold er et vidnesbyrd om hele menneskehedens kærlighedsaffære med bevidst at ændre DNA. Fælles træk, samfundet udvælger blandt dyr, omfatter føjlighed, lydighed, styrke og selvfølgelig smag. 

Alligevel er det ideen om menneskelig DNA-ændring, der virkelig efterlader kæberne agape og trusser i bundter. De høje idealer fra Amerikas tidlige eugenikbevægelse gav et sikkert tilflugtssted for fortaleren for raceoverherredømme, som ændrede sig og nåede et skræmmende klimaks i Det Tredje Rige. 

Ikke desto mindre er den målrettede dyrkning af ønskværdige gener almindelig i det liberale samfund. Det mest oplagte eksempel er abort, som er lovligt i de fleste vestlige samfund. Det er umuligt at argumentere for, at mennesker ikke har en præference for visse genomer i en verden, hvor omkring halvfems procent af fostre med Downs syndrom bliver aborteret.

I USA har domstolene anset genetisk-baseret abort som en forfatningsretlig rettighed: Læger, der gemmer sig viser genetiske lidelser blandt fostre, frygtede moderen vil abortere, er blevet sanktioneret.

Forsætlig ændring af et individs DNA er ikke det samme som at facilitere visse gener i løbet af mange generationer. Selv de engang radikale processer med at skabe GMO'er (genetisk modificerede organismer) tillader dig blot at indsætte eksisterende gener i andre arter i modsætning til at designe nye. Det er dog klart, at mennesker foretrækker visse gener frem for andre og vil tage drastiske foranstaltninger for at gøre disse gener mere almindelige. Førstnævnte tilbyder blot en hurtigere og mere præcis måde at nå sidstnævntes mål. 

En metode til dygtigt at ændre genetisk materiale har længe unddraget menneskeheden på grund af den intense kompleksitet af de biokemiske reaktioner omkring DNA såvel som den sølle række af værktøjer, der er effektive i en sådan mikroskopisk skala. Specifikt har en metode til at skære DNA på nøjagtige steder, så små segmenter kan erstattes, været uhåndgribelig.

Et gennembrud i 2015 ændrede alt dette; dette gennembrud giver nu mennesker mulighed for at slippe af med denne langvarige utilstrækkelighed. En verden af ​​muligheder venter, og potentialet for en storstilet omorganisering af vores kroppe, vores omgivelser og endda vores økonomi er på dækket. 

CRISPR: Den mest kraftfulde saks i historien

(Bemærk: hvis du kan nævne alle de vigtigste organeller i en celle og mere end tre typer RNA fra toppen af ​​dit hoved, vil du sandsynligvis finde følgende forklaring oversimplificeret. Hvis du har en grundlæggende forståelse af, hvad DNA og RNA er, dette vil være en Goldilocks-forklaring. Hvis du ikke ved, hvad RNA er, så tænk på det som DNA's storebror, der alligevel endte som DNA's ærindedreng.) 

Dette gennembrud går under navnet CRISPR/CAS9, normalt forkortet til kun CRISPR. Denne innovative metode, udtalt som i "Jeg ville ønske, at min toast var sprødere," er en forkortelse for Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Virker det som en mundfuld? Det er. Sut det op. Det samme var "teorierne om generel og speciel relativitet" såvel som "Deoxyribonukleinsyre." Banebrydende opdagelser har ofte lange navne; det anbefales at bære store drenge/store pigebukser, når man har at gøre med futuristisk teknologi.

Selvom det ændrede DNA er kunstigt, forekommer begge komponenter i CRISPR naturligt. I sin kerne udnytter det immunsystemet, der understøtter alle levende celler. Overvej dette: immunsystemet er ekstremt komplekst, især et menneskes, men 99% af tiden er en enkelt virus ikke i stand til at inficere den samme person ved to forskellige lejligheder.

Dette skyldes, at strenge af viralt DNA lagres og "huskes" i celler efter det første møde. I det tyvende århundrede opdagede videnskabsmænd, at visse former for bakterier lægger disse DNA-fragmenter ind mellem korte, gentagne tråde af basepar, der også er palindromiske: CRISPR'erne. Dele af virussen er nu permanent indlejret i bakteriens genom. Og du troede, du var god til at bære nag. 

Forestil dig en bakteriofag (en virus, der er rettet mod bakterier i modsætning til multicellulære organismer, såsom mennesker) ødelægger Barry Bacteria, men dræber ham ikke. En uge senere kommer Phil the Phage tilbage til runde 2. Selvom Barry ser Phil overfalde ham, kan han ikke sende hvide blodlegemer til at slå Phil, fordi han ikke har nogen. Det bakterielle immunsystem bruger en anden tilgang.

Det er her, Cas9, den anden halvdel af CRISPR-systemet, kommer i spil. Cas9, som står for CRISPR-associeret protein 9, scanner det fremmede DNA, det støder på, og tjekker, om noget af det matcher det virale DNA, det har lagret mellem CRISPR'erne. Hvis det er tilfældet, udløser Cas9 en endonuklease, også kendt som et restriktionsenzym, til at skære Phils arm eller fod eller måske endda hans hoved af. Uanset segmentet gør tabet af så stor en del af deres genetiske kode næsten altid virussen ude af stand til at udføre sine rovdyrsintentioner.

Menneskets immunsystem vinder kampe mod vira ved at sende evolutionens fineste mikroskopiske krigere til kamp, ​​udstyret med utrolig præcise beskrivelser af fjendens udseende og taktik. Den bakterielle tilgang er mere beslægtet med at opsnappe en kommandørs instruktioner til hans fodsoldater. "Angreb portene ved daggry," bliver "Angreb den [BLANKE] ved [BLANK]," og indtrængen mislykkes. 

Til sidst opdagede videnskabsmænd, at stort set alle levende organismer har elementer af både CRISPR og Cas9. Dette kan virke chokerende, men det er faktisk ret trivielt, da alt levende stammer fra bakterier. I disse organismer er CRISPR'er beslægtet med et gammeldags bibliotek, som en by aldrig har gidet at rive ned, og Cas9 er et af de mindst vigtige restriktionsenzymer.

Ikke desto mindre er de der, de arbejder, og bedst af alt, de viste sig at være meget ukritiske: Forskere kunne fodre dem med dele af DNA, der ikke havde noget at gøre med vira, og CRISPR ville loyalt registrere dem, og Cas9 ville trofast lave snit . Pludselig havde vi Guds saks i vores hænder, og de arbejdede på stort set enhver type DNA, vi prøvede: mad, dyr, sygdom og menneskelig. 

Selvom metoden bliver populariseret som "CRISPR", er det kombinationen af ​​både CRISPRs og Cas9, der er så absurd kraftfuld. Som nævnt er der en række tidligere opdagede restriktionsenzymer, eller DNA sakse. CRISPR er dog den første metode, mennesker har været i stand til at kontrollere, hvor saksen klipper med en høj grad af præcision. 

I det væsentlige er CRISPR'er korte DNA-segmenter, der fungerer som bogmærker eller som to tegn, der siger "Begynd at skære her" og "Stop med at skære her." Cas9 er et protein, der kan læse CRISPR'er og frigive et enzym til at skære i begge mellemrum markeret med bogmærkerne.

Hvad kan CRISPR?

Skat, hvad kan ikke Gør CRISPR? Der er to hovedkategorier af anvendelser for teknologien: Dårligt genetisk materiale fundet i kræft kan erstattes med en korrigeret DNA-sekvens for at eliminere skadelige mutationer, og den kan anvendes til at forbedre visse fænotypeaspekter.

CRISPR er spændende, fordi det knapt er et lille barn i alderen og alligevel allerede er hoppet fra laboratoriet til klinikken. Forfatterne til en undersøgelse fra 2015, der vises i Natur var i stand til udskærer 48 % af det genetiske materiale fra HIV fra HIV-ramte celler ved hjælp af CRISPR. Men når det kommer til kræft, har CRISPR allerede taget springet fra petriskål til mennesker: i juni, NIH godkendte det første studie af T-celler udviklet gennem CRISPR.

Forsøget fokuserer på at forebygge gentagelse af kræft. Som alle med venner eller familie, der har kæmpet mod kræft (hvilket desværre er de fleste) ved, er det at blive erklæret kræftfri ikke det samme som at blive helbredt. I de næste fem til ti år er der intet andet valg end at vente og se, om nogle små lommer af kræft undslap behandling og venter på en chance for at vokse tilbage. CRISPR T-cellerne har kræft-DNA indsat i deres genom, hvilket giver dem det, der svarer til hypersynsbriller, som de kan søge efter alle sygdommes kejser med.

HIV og kræft er to af de mest formidable goliater inden for patologisk medicin. Og alligevel er det en utilstrækkelig metafor at sammenligne CRISPR med David. David var i det mindste voksen, hvorimod CRISPR knap er et lille barn, og dette lille barn er allerede i gang med at skyde på mål mod disse mest vedholdende fjender af menneskeheden.

Selvfølgelig bruger de fleste mennesker ikke deres liv på konstant at slingre mellem HIV og kræft. Mere almindelige sygdomme med langt mindre kompleksitet, såsom forkølelse og influenza, vil lettere komme under grebet af T-celler på sprøde steroider.

At skære dårligt DNA ud er godt, men det er i reparationen af ​​defekt DNA, at CRISPRs potentiale virkelig ligger. Når først DNA'et er skåret på det rigtige sted, og det muterede afsnit er fjernet, bliver det ret ligetil at bruge DNA-polymeraser til at smelte det korrekte DNA sammen.

De mest almindelige genetiske lidelser i USA er hæmokromatose (for meget jern i blodet), cystisk fibrose, Huntingtons sygdom og Downs syndrom. Rettelser til de sygdomsfremkaldende segmenter af DNA kan forhindre enorme mængder af menneskelig lidelse. Desuden ville de økonomiske fordele være storslåede: finanspolitiske konservative ville glæde sig over at spare de 83 millioner dollars, som NIH bruger årligt på cystisk fibrose alene; liberale ville have mulighed for at geninvestere disse beløb i social velfærd.

For dem der finder Down syndrom abort statistik foruroligende, kan CRISPR-modifikationer være et passende kompromis, der redder fosterets liv, samtidig med at moderens ret til ikke at føde et svært handicappet barn bevares.

Den bioteknologiske verden bliver allerede nittet af CRISPR. Alene GMO-fødevareindustrien er allerede milliarder af dollars værd om året med metoder, der er ret grove sammenlignet med CRISPR. GMO-virksomheder som Monsanto har forbedret et utal af fødevarer ved at indsætte hele gener, der fremmer hårdførhed, størrelse og smag fra andre fødevarer.

Nu er genrydderjagten slut, og biotekvirksomheder kan designe det perfekte gen til at indsætte. Det er sandsynligt, at Red Delicious i løbet af de næste par årtier bliver nødt til at overgive sin overherredømme til et produkt på linje med den røde orgasme eller den røde spirituelle oplevelse.

Forretningsmæssige og politiske konsekvenser

CRISPR har også både forstyrrende og demokratiserende implikationer. Genredigering i 2010'erne har været som computere i 1970'erne. De findes, men de er klodsede og latterligt dyre. Alligevel er produktet så værdifuldt, at virksomhederne, der er store nok til at have råd til dem, opnår en massiv markedsfordel.

Det er grunden til, at virksomheder som Monsanto har været i stand til at opnå næsten monopoler på GMO-området. CRISPR vil gøre med genteknologi, hvad personlige computere gjorde ved software i 1980'erne; altså forbedre teknologien voldsomt, samtidig med at den gør den så billig, at små virksomheder og enkeltpersoner kan drage fordel af dem. Uanset om du er en biologistuderende, en amatørbiohacker eller en nystartet iværksætter, kan du købe et CRISPR-sæt på internettet for et par hundrede dollars.

Derfor bør CRISPR gøre biotek-behemoths som Monsanto meget nervøse. De millioner af mennesker, der ønsker at underminere eller udkonkurrere virksomheden, har alle fået en dolk.

Nogle mennesker er imod Monsanto, fordi de er imod GMO'er. Sådanne røster tillægges ikke megen tillid i det videnskabelige samfund: GMO'er anses for at være ret sikre, stort set alle spiser dem, og de tørkeresistente/høstforøgende GMO'er, der lå til grund for den "grønne revolution" i Afrika og Indien i 1970'erne, har reddet hundredvis. millioner af mennesker fra sult.

Men mange pro-GMO-individer er imod Monsanto på grund af dets monopolistiske forretningspraksis og forsøg på at tvinge fattige landmænd til at bruge dets frø. Før CRISPR var der ikke meget, de kunne gøre, medmindre de havde en ekstra hundrede millioner dollars liggende til at lancere en genteknologisk start-up. Deres mere raffinerede argumenter havde en tendens til at blive overdøvet af "GMO'er vil få dine tænder til at falde ud og give dine børn autisme", hvilket tillod Monsanto at delegitimere sin modstand ved at male den som uvidenskabelig.

Nu vil CRISPR's relative overkommelighed gøre det muligt at genvinde GMO'er og genteknologiområdet af de demokratisksindede, af de unge, af middelklassen, af dem, der mener, at streng konkurrence mellem virksomheder giver hurtigere fremskridt og en sundere økonomi end forbenede monopoler.

Etik og andre spørgsmål

De etiske spørgsmål ved genteknologi er potentielt massive. Muligheden for at designe en supervirus, der har ins og outs af det menneskelige immunsystem transskriberet i deres genom, kan ikke afvises. Dette er en foruroligende udsigt; det ville vende det normale paradigme og være beslægtet med en virus, der vaccineres mod immunsystemet. "Designer babyer" kan føre til en genopblussen af ​​eugenik og et menneskeligt våbenkapløb, hvor civilisationer er låst i en konstant kamp for at skabe de mest intelligente, hensynsløse borgere.

Imidlertid er disse problemer med de fremtidige muligheder for genteknologi, ikke med de nuværende realiteter i CRISPR. Indtil videre kan ingen af ​​de vigtigste etiske bekymringer realiseres, primært på grund af vores begrænsede forståelse af vores egen biologi. CRISPR betyder, at hvis vi havde en plan for at skabe den førnævnte supervirus, kunne vi sandsynligvis. Vores viden om immunsystemet er dog alt for begrænset til at implementere en virus, der kunne omgå det.

Bekymringerne om designerbørn er ligeledes overdrevet. Først og fremmest er sammenblandingen af ​​genteknologi med eugenik farlig og forkert. Eugenik er affaldsvidenskab. Eugenik bygger på de forfalskede antagelser om, at egenskaber som intelligens og styrke hovedsageligt er arvelige, i modsætning til den nuancerede moderne konsensus om, at 1) disse egenskaber er ekstremt dårligt definerede, og 2) de stammer fra en kompleks interaktion mellem genom (ikke kun nogle få individuelle gener).

De fleste eugenikeres besættelse af udbredelsen af ​​den hvide race viser, at bevægelsen ikke er andet end et forsøg på at give gamle racistiske ideer en pseudovidenskabelig finér af legitimitet. Den hvide "race" er jo i sig selv en social konstruktion, i modsætning til en biologisk virkelighed.

Endnu vigtigere, eugenikere har konsekvent argumenteret for fremme af "renere" gener med magt. I 1920'ernes Amerika betød det sterilisering af alle fra psykisk svage til seksuelt promiskuøse, og i 1940'ernes Tyskland betød det henrettelse af millioner af uskyldige. På trods af at Det Tredje Rige har henrettet størstedelen af ​​diagnosticerede skizofrene, viser det moderne Tyskland ingen afvigelse i skizofreniens fremtrædende plads fra sine naboer.

Når det er sagt, udtværer det at male geningeniører som eugenikere det gode navn på videnskabsmænd, der arbejder for at forbedre alle mennesker, samt at give eugenikere en perfekt mulighed for at få et comeback ved at binde sig til den mest spændende opfindelse inden for videnskab lige nu. CRISPR-ingeniører støtter ikke crackpot raceteorier, og de vil gerne give dig mere frihed, mere valg, at leve dit liv med.

Nej, CRISPR vil ikke føre til, at forældre udvikler homoseksualitet ud af deres babyer. "Genet for homoseksuelle" er en vidunderligt passende metafor til at udtrykke ideen om, at homoseksualitet ikke er et valg. Men som en egentlig repræsentation af virkeligheden byder den ikke meget. Menneskelig seksualitet er en række komplekse, sammenlåsende adfærd, der har både genetiske og miljømæssige grundlag. Det faktum, at homofobiske forældre ikke aborterer børn, der senere viser sig at være homoseksuelle, beviser, at der ikke er noget "homogen", der er simpelt nok til, at CRISPR kan skifte det til heteroseksualitet.

På samme måde er begrundelsen bag frygten for en "embryo-intelligenseksplosion" gennem CRISPR mangelfuld. Menneskelig intelligens er Jordens kronjuvel og muligvis hele solsystemet. Det er så komplekst og inspirerende, at en stor procentdel af mennesker tror, ​​at dets oprindelse er overnaturlig. DNA, et biologisk programmeringssprog, koder det, men på en måde, der i øjeblikket ligger langt ud over vores forståelse. En verden, hvor vi forstod, hvordan vi kunne ændre vores intelligens gennem CRISPR, ville være en verden, hvor vi vidste, hvordan vi repræsenterede intelligens i programmeringssprog.

At huske på, at DNA er et programmeringssprog, giver os en nyttig metafor til at forstå kløften mellem CRISPRs muligheder og dem, der kræves for at implementere folks frygt for genteknologi. Den menneskelige krop er et computerprogram skrevet i milliarder af linjer med DNA-basepar-kode.

CRISPR giver os mulighed for at ændre denne kode. Men at lære at skrive gør dig ikke til en ekspert programmør. Indtastning er naturligvis en forudsætning for at blive en ekspertprogrammør, men på det tidspunkt, hvor en person er tæt på at kunne programmere, er han eller hun for længst forbi opdagelsen af ​​at lære at skrive.