CRISPR

CRISPR en cas9 werken samen en spelen beide een aparte rol. CRISPR kan gezien worden als een enorme DNA-bibliotheek met steeds dezelfde korte stukjes van eigen DNA en ingebouwde stukjes DNA van een agressief virus, dat spacer DNA wordt genoemd. Cas9 kan gezien worden als een schaar die virus-DNA herkent en direct optreedt tegen gevaar door het virus-DNA kapot te knippen. Bacteriofagen zijn virussen die bacteriën aanvallen door het plaatsen van hun eigen DNA in de bacteriën en zo de DNA- en eiwitsynthese overnemen. Als bacteriën de aanval overleven kunnen ze dit virus-DNA opbergen in de CRISPR-bibliotheek.

Telkens nadat de bacterie door een bacteriofaag is aangevallen maar de aanval overleeft, bewaart de bacterie een stukje van het virus-DNA in zijn bibliotheek. Cas9 gebruikt RNA-sequenties, overgeschreven uit de bibliotheek, om al het DNA in de bacterie te vergelijken. Cas9 scant al het DNA in de bacterie totdat het een match vindt tussen het nieuwe virus-DNA dat de bacterie is binnengedrongen en het DNA van die bacterie dat was opgeslagen in CRISPR. Als hetzelfde soort virus opnieuw aanvalt en er een 100%-match gevonden wordt, kan cas9 het DNA van het binnengedrongen virus kapot knippen en daarmee onschadelijk maken. Zo wordt de bacterie genetisch beschermd tegen het ooit eerder binnengedrongen virus.

Dit mechanisme zou toegepast kunnen worden in mensen door cas9 te laten zoeken naar bijvoorbeeld mutaties die een ziekte veroorzaken, waarna cas9 de mutatie weg kan knippen. Als de cel vervolgens een voorbeeld-DNA-streng gegeven wordt met de goede DNA-sequentie kan de cel deze zelf namaken waarna de mutatie dus is vervangen door een juiste DNA-sequentie. Zo kunnen precieze stukken DNA worden bewerkt op precieze locaties waardoor genen in levende cellen permanent kunnen worden aangepast. Hierdoor zouden in de toekomst mutaties in het menselijk genoom hersteld kunnen worden en zo onderliggende ziektes genezen.

De herhaalde DNA-codes van CRISPR werden voor het eerst gezien in de jaren 80 in E. coli.[2]Wetenschappers probeerden destijds een specifiek gen van E. coli te onderzoeken, waarbij het hen opviel dat hetzelfde stukje DNA zich steeds herhaalde. In 2007 werd door de wetenschapper Barrangou de functie van CRISPR-cas9 bevestigd nadat hij liet zien dat de bacterie S. thermophilus resistentie kan ontwikkelen tegen een bacteriofaag nadat er een fragment van het genoom van het virus was toegevoegd aan het CRISPR-systeem.[3]

De wetenschappers Jennifer Doudna (Universiteit van Californië) en Emmanuelle Charpentier (Max Planck Institute Berlijn) ontdekten in het laboratorium dat ze dit afweermechanisme zelf konden modificeren.[4] Sterker nog, ze konden hiermee heel precies op een gewenste plek in het DNA knippen en plakken. In januari 2013 publiceerde de wetenschapper Feng Zhang de eerste methode om CRISPR in het genoom van mensen en muizen te bewerken.[5]

Wetenschappers hebben ontdekt dat cas9 programmeerbaar is en in elke soort cel werkt. Zo kunnen stukken DNA makkelijk, snel, goedkoop en extreem precies worden bewerkt in allerlei soorten cellen. CRISPR-cas9 kan genen aan- of uitzetten en bewerken in planten, dieren of zelfs mensen.[6][7] In 2015 werd CRISPR-cas9 in het laboratorium gebruikt om het HIV-virus uit levende cellen van patiënten te knippen, om te laten zien dat het mogelijk is. In een paar jaar kan CRISPR-cas9 niet alleen HIV maar ook andere retrovirussen die zich verstoppen in DNA zoals herpes bestrijden. CRISPR zou misschien zelfs in de toekomst kanker kunnen bestrijden, door immuuncellen beter kanker te laten opsporen.

Een onderzoeker van Harvard David Liu en collega's publiceerden in 2017 de techniek van 'base editing'. Hierbij kan een coderende 'A' gericht in het gen worden opgespoord en omgezet in een 'G', Omgekeerd lukt ook en dit alles zonder de DNA-streng te hoeven openknippen.[8] Dit deden ze door een tRNA deaminase los te laten op een 'A' in het genetisch materiaal, die zo werd omgezet in een 'G' zonder het gen open te knippen.[9][10]

DNA van binnendringende virussen wordt in korte fragmenten geknipt en vervolgens geplaatst op een CRISPR-locus tussen een reeks van korte segmenten met herhaalde codes. De loci met het virus-DNA ondergaan transcriptie waardoor ze worden overgeschreven in korte RNA-fragmenten die vervolgens worden afgelezen door het enzym cas9. Cas9 is een endonuclease, wat inhoudt dat het bepaalde nucleotiden uit het DNA kan knippen, in dit geval de sequenties die overeenkomen met het overgeschreven RNA uit CRISPR.

Al lange tijd is bekend dat genetische mutaties in het DNA ziektes veroorzaken. Wat nu als wetenschappers deze foutjes eruit zouden kunnen halen en de goede sequentie zouden kunnen inbouwen? Daarmee zouden genetische ziektes kunnen worden behandeld en kunnen er misschien nog wel een ander soort veranderingen aan het menselijk DNA worden gemaakt (denk daarbij aan sterkere of slimmere mensen). Met het gebruik van het mechanisme CRISPR-cas9, dat uit bacteriën wordt gehaald, zouden precieze veranderingen in het menselijk genoom kunnen worden gemaakt waardoor de mogelijkheden in de toekomst misschien wel eindeloos zijn.

Meer dan 3000 genetische ziektes, denk aan kleurenblindheid of ziekte van Huntington, worden veroorzaakt door maar één verkeerd geplaatste nucleotide in het DNA. Op dit moment wordt al gewerkt aan een versie van cas9 die één bepaald nucleotide kan vervangen en daarmee de genetisch aangelegde ziekte kan genezen. In een paar decennia kunnen waarschijnlijk duizenden ziektes genezen worden. Op deze manier wordt de CRISPR-cas9-technologie gelimiteerd tot een enkel individu en wordt het niet overgedragen. Op het moment dat de techniek wordt toegepast in kiembaancellen wordt de wijziging van het DNA overgedragen op volgende generaties.

CRISPR-cas9 kan genetische veranderingen aan de menselijke genenpool maken wanneer veranderingen in kiembaancellen wordt toegepast. In 2016 hebben Japanse wetenschappers geëxperimenteerd met menselijke embryo’s en waren daarin gedeeltelijk succesvol, maar liepen ook tegen een heleboel problemen aan die nog moeten worden opgelost.

In theorie is CRISPR goedkoop en snel en extreem nauwkeurig. De praktijk gaat nog moeizaam. Er werden tijdens de eerste experimenten onbedoeld ook andere genen uitgeschakeld, of nieuwe genen werden op onbedoelde plaatsen in het DNA geplaatst. In hoog tempo worden de CRISPR-cas9-systemen nu bijgevijld en preciezer gemaakt. In China, het Verenigd Koninkrijk en Zweden heeft de overheid toestemming gegeven voor CRISPR-ingrepen op menselijke embryo’s. Niet om er kinderen uit te laten groeien - de embryo’s zullen niet ouder worden dan 14 dagen. In Nederland verbiedt de embryowet voorlopig zulke experimenten.

Een bijzondere vorm van de toepassing van CRISPR bij zich geslachtelijk voortplantende organismen, is de gene drive. Bij deze techniek wordt CRISPR tezamen met andere werktuigen in het doel-DNA ingebouwd, zodat theoretisch op den duur alle alternatieve allelen in een populatie kunnen verdwijnen.

Er is discussie over of het ethisch verantwoord is om baby’s en embryo's met genetisch aangelegde ziektes te behandelen met CRISPR-cas9. Als genetische modificatie sociaal geaccepteerd wordt en de kennis over modificatie toeneemt, zal de verleiding groeien.

Eén van de filosofen die zich hier mee bezig heeft gehouden is Nick Bostrom. Nick Bostrom was ervan overtuigd dat menselijke verbetering via modificatie moet worden voortgezet. Hij had een zogenaamd transhumanistisch perspectief, waarin mensen zonder modificatie zouden worden gelimiteerd door hun mentale en psychische capaciteit en van daaruit verbeterd zouden moeten worden om een beter mens te vormen. Dit zou uiteindelijk kunnen leiden tot post-menselijkheid, een verbeterde versie van de huidige mensheid. Transhumanisten zoals Nick Bostrom vinden dat er niks mis is met het genetisch veranderen van de menselijke kiembaan. Potentiële gevaren, zoals een enorme kloof tussen arme mensen die modificatie niet kunnen betalen en rijke mensen die er vol van kunnen profiteren, worden wel opgemerkt maar niet gezien als een reden om te stoppen met het modificeren van mensen.

Rondom het thema van menselijke modificatie zijn Bioartists actief. Bioart is een vorm van kunst waarin wordt gewerkt met levende weefsels en organismen. Door het gebruik van biotechnologie, zoals genetische modificatie, het groeien van levende weefsels buiten organismen om en klonen, wordt kunst tentoongesteld in laboratoria, galerijen en studio’s.

Een voorbeeld van een bioartist is Stephen Wilson. Hij gebruikte biotechnologie voor een interactieve installatie genaamd Protozoa games[11]. Een belangrijk thema van Protozoa games was om na te denken over de ethiek rondom het experimenteren met mensen en dieren en de intelligentie, bewustheid en reflectie op de essentie van het leven. Het concept van Protozoa games was een installatie waarin protozoa, eencellige organismen die hier het beeld waren van leven in het algemeen, een interactie aangingen met mensen en vice versa. Mensen moesten het gedrag van de protozoa proberen te voorspellen. Dit kon alleen door de protozoa lange tijd aandachtig te bestuderen. Daarnaast konden de mensen de protozoa beïnvloeden met stimuli als licht en geluid.