Jakten på kryptoniten som kan stoppa CRISPR

Konceptuell illustration av stenpappersaxar och DNA, CRISPR och Anti-crispr Ms. Tech; pappers-dna av: Jorge C. Lucero | Flickr; sten och sax: pixabay

I september 2016 kallade Jennifer Doudna en ny kollega vid namn Kyle Watters till sitt kontor. Vid det laget var University of California, Berkeley, biokemist känd som meduppfinnaren av CRISPR. Uppfinningen av det snabba och mångsidiga verktyget för att redigera gener hade gjort henne till global ryktbarhet och avsevärd rikedom. Hon var grundare av flera startup-företag och hade samlat in miljoner i vetenskapsprispengar.

Illavarslande, dock, som Doudna har återberättade , förföljdes hon av en dröm där Adolf Hitler dök upp, höll i en penna och papper och begärde en kopia av CRISPR-receptet. Vilket hemskt syfte kunde Hitler ha? Doudna sa inte i sina återberättelser av sin dröm.

Nu var Doudnas fråga, skulle Watters vilja arbeta på ett sätt att stoppa det? Sluta med CRISPR.

CRISPR finns inuti bakterier. Det är ett miljard år gammalt försvar mot plundrande virus som upptäcker deras DNA och använder ett saxliknande protein för att hacka upp det. Doudna spelade en nyckelroll i att omvandla fyndet till ett revolutionerande genredigeringsverktyg som har tagits upp över hela världen, vilket driver fram en våg av ny forskning och potentiella botemedel.

Men om forskare lär sig att leverera genredigerare i människors kroppar, vad hindrar en galning, terrorist eller stat från att använda CRISPR för att orsaka skada? Människor föreställer sig personliga attacker som bara skulle drabba vissa etniska grupper eller supersoldater redigerade för att inte känna smärta. Doudna var väl bekant med dilemmat. I hennes bok En spricka i skapelsen , skrev hon att hon fruktade att genredigering kunde komma till världens uppmärksamhet, som atomkraft gjorde, i ett svampmoln. Kunde jag och andra berörda forskare rädda CRISPR från sig själva ... innan en katastrof inträffade?

Nu skulle hon ha en chans. Tidigare under 2016 hade de amerikanska underrättelsetjänsterna utsett genredigering som ett potentiellt massförstörelsevapen. Den september hade Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hoppat in och släppt en uppmaning till nya sätt att kontrollera eller vända effekterna av genredigeringsteknologi. Programmet, som heter Säkra gener , skulle sluta med en budget på mer än 65 miljoner dollar, vilket gör det till en av de största källorna till pengar för CRISPR-forskning, bortsett från biotekniska startups som utvecklar nya genetiska behandlingar.

Ett problem, som DARPA såg det, var avsaknaden av lättanvända motåtgärder, ångra knappar eller motgift för CRISPR. Och ju mer kraftfull genredigering blir, desto mer kan vi behöva en - i händelse av en labbolycka, eller värre. Som UC Berkeley uttryckte det i en 2017 pressmeddelande efter att Doudna, med Watters hjälp, gjorde anspråk på en del av det stora DARPA-kontraktet, tänkte universitetet bygga verktyg för att motverka bioterrorismhot inklusive vapen som använder CRISPR själv.

CRISPR-vapen? Vi överlåter till din fantasi exakt hur en skulle kunna se ut. Vad som är säkert att säga är dock att DARPA har bett Doudna och andra att börja undersöka profylaktiska behandlingar eller till och med piller du kan ta för att stoppa genredigering, precis som du kan svälja antibiotika om du har fått ett mjältbrandsbrev i post. Forskare under Doudnas projekt säger att de är inställda på att påbörja inledande tester på möss för att se om gnagarna kan göras immuna mot CRISPR-redigerare.

Kan vi stänga av CRISPR? frågar Joseph S. Schoeniger, som leder ena grenen av försvarsinsatsen vid Sandia National Laboratories, i Livermore, Kalifornien. Det är vad vi tittar på. Grundkonceptet är att den här tekniken kommer, [så] skulle det inte vara trevligt att ha en 'av'-brytare.

Jennifer Doudna Alexander Heinl/picture-alliance/dpa/AP Images

Anti-CRISPR

När Doudna utarbetade sitt förslag till DARPA hade andra forskare redan en stor ledtråd för hur man skulle stoppa CRISPR. I den uråldriga kampen mellan bakterier och de virus som kallas fager som infekterar dem, hade fager utvecklat sina egna motgift mot CRISPR. I själva verket har deras genom, det har visat sig, förmågan att producera vad som i huvudsak är CRISPR-kryptonit - små proteiner utsökt inställda av evolutionen för att inaktivera genredigeringsverktyget. Forskare kallar dessa molekyler för anti-CRISPR.

De första anti-CRISPRs upptäcktes 2013 av en student vid University of Toronto vid namn Joseph Bondy-Denomy. Det var serendipity. Vi snubblade över det faktum att vissa fager verkade vara resistenta mot CRISPR. När vi placerar fagen i en cell, kunde bakterierna inte skydda sig själva, säger Bondy-Denomy, nu professor vid University of California, San Francisco. Han nollställde snabbt en av virusets cirka 50 gener som orsak. Vi tänkte, wow, det här kanske stänger av CRISPR.

Antalet labb som studerar sådana försvar är mindre än antalet som arbetar med CRISPR. Men anti-CRISPR håller på att bli ett blomstrande område i sig. Mer än 40 anti-CRISPR-proteiner har redan hittats, många av Doudnas labb. Andra team har tidig framgång med att lokalisera konventionella kemikalier som också kan hämma CRISPR. Idag, Amit Choudhary från Harvard Medical School, i Boston, också med finansiering från DARPA, rapporterad han hade hittat två läkemedel som förhindrar genredigering när de blandas med mänskliga celler. Kännetecknet för all kraftfull teknik är kontroll, säger Choudhary. Det är så enkelt.

Forskare som Bondy-Denomy tror att anti-CRISPR kan ha en roll i att förbättra framtida genredigeringsbehandlingar genom att ge forskarna mer exakt kontroll. Till exempel visade ett lag i Tyskland nyligen om de kombinerat CRISPR och anti-CRISPR , kunde de skapa en editor som bara ändrar DNA i leverceller, inte neuroner eller muskler.

En annan applikation som studeras är huruvida anti-CRISPR skulle kunna skapa ett skydd mot gendrifter. Bill & Melinda Gates Foundation stöder utvecklingen av ett CRISPR-verktyg som kommer att spridas genom vilda myggor, vilket får deras populationer att krascha, med tanken att förebygga malaria. Andra vill utveckla sådana gendrifter hos möss, så att de kan utrota gnagarna från öar utan att använda gift.

Men vad händer om de här experimenten går på tok och leder till en utrotning? Forskare tror att de kan skapa organismer med anti-CRISPR programmerat i deras genom så att de är immuna. I ett första principbevis, forskare i Kansas förra året konstruerade jästceller med anti-CRISPR för att motstå en gendrift. Om något nordkoreanskt labb kommer till dig med en gendrift för att utplåna en ekonomiskt viktig gröda, kan du ha en transgen gröda som [är resistent]. Det är scenariot på ritbordet, säger Erik Sontheimer från University of Massachusetts Medical School.

En bioöverraskning

Tillkomsten av CRISPR-verktyget som började i mitten av 2012 överraskade forskarna. I huvudsak över en natt ersattes skinknävade metoder för genteknik av ett billigt, mångsidigt och programmerbart sätt att förändra DNA inuti någon levande varelse. Prognosmakare vars jobb var att förutse nya faror missade totalt CRISPR, säger Renee Wegrzyn , bioförsvarsforskaren som driver DARPAs program. Det ödmjuka misslyckandet att se framtiden förvandlades snabbt till en kritisk brådskande fråga för nationell säkerhet.

Det beror på att forskare, läkare och nystartade företag med stöd av riskkapitalister började en kapplöpning för att lära sig hur man distribuerar CRISPR i växter, djur och människor, med hjälp av virus, injektioner, nanopartiklar eller elektriska stötar. Och ju bättre de blev på det, desto mer realistiskt kan någon sorts ny biohot bli.

År 2015 hade Doudna också börjat ifrågasätta hur CRISPR användes i mer rutinmässiga laboratorieforskningsmiljöer. Några av experimenten såg farliga ut - tänk om en doktorand blev skadad? Vi driver ut dessa teknologier i världen, och vi åtföljer dem inte med de säkerhetsåtgärder som borde vara på plats, sa Wegrzyn till en sammankomst av Long Now Foundation 2017 i San Francisco. Jag började verkligen känna den här känslan av brådska att någon behövde göra något åt ​​det här.

I sitt föredrag sa Wegrzyn att faran med CRISPR var uppenbar från hur forskare redan använde genredigering för att göra möss sjuka genom att klippa viktiga gener. Jag tror inte att du behöver vara en biosäkerhetsexpert för att inse att det finns ett behov av granskning när du tittar på ett verktyg som både kan bota och orsaka sjukdom, sa hon till mötet i Kalifornien. Om vi ​​behöver stänga ner en genredigerare omedelbart vet vi bara inte hur vi ska göra detta.

Det finns fortfarande ingen överenskommelse om hur farligt CRISPR kan vara i fel händer. Röda teamövningar sponsrade av Central Intelligence Agency under sommaren 2016, där en grupp analytiker kallade Jasons ombads att komma på sina värsta idéer, löste inte frågan. Senare producerade National Academies of Sciences, Engineering and Medicine, på begäran av Department of Defense, en hel ranking av möjliga hot från syntetisk biologi, vilket placerade CRISPR-vapen mot mitten av flocken. Militären sa att de inte såg någon överhängande fara för soldater.

Doudna håller med om att CRISPRs faror inte bör överdrivas. Jag får de här frågorna mycket om CRISPR-system och otrevliga användningsområden, och min känsla är att jag inte är mer eller mindre orolig för CRISPR än andra saker. Någon skulle kunna syntetisera smittkoppsviruset, säger hon. På samma sätt, medan hennes forskning kan leda till ett eventuellt genredigerande motgift, tar hennes labbs arbete med anti-CRISPRs huvudsakligen upp grundläggande biologiska frågor. Jag är fortfarande i steg ett, säger hon. Hur fungerar dessa?

Andra oroar sig dock för att riskerna redan är uppenbara och att motgift inte kan komma snart nog. Till exempel har vissa forskare försökt förhindra offentlig diskussion om specifika CRISPR-studier, eller till och med ta bort omnämnanden av dem från internet, förmodligen för att ge forskare mer tid att utveckla motåtgärder. Den allmänna rådande inställningen är att inte ge människor mardrömsbränsle medan vi aktivt letar efter svar. Det finns alltid en oro för ett tidigt freak-out, säger Doudnas tidigare medarbetare Watters, som 2018 skrev en recension av genredigerings implikationer för biosäkerhet .

En video som visar CRISPR redigera DNA i realtid Osamu Nureki, Nature Communications

CRISPR försvar

I år, som en del av Doudnas DARPA-projekt, planerar team av forskare att påbörja sina första experiment – ​​på möss – för att avgöra om det är möjligt att skydda dem från CRISPR. Ett labb som är involverat i arbetet är på Sandia National Laboratories, som kommer att anställa möss som är förberedda för redigering eftersom de är konstruerade för att födas med CRISPRs molekylära sax, ett protein som kallas Cas9, i varje cell.

Schoeniger, som leder Sandia-satsningen, säger att hans labb snart kommer att instruera mössen att redigera sig själva men att de också kommer att ge dem ett skott med anti-CRISPR-molekyler för att se om processen är blockerad. Anti-CRISPR fungerar bra i naturen, och vi försöker se om det fungerar bra på djur, säger han.

Schoeniger anser att det finns en betydande risk för oavsiktlig exponering för CRISPR-medel. När en stor industri tar fart runt redigeringsverktyget, formuleras CRISPR till genterapier, injektioner, salvor och mat, vilket ökar risken för en laboratorieolycka. Till och med ett hemligt biovapenprogram är mer sannolikt att släppa en designerbakterie av en slump än det är att starta en attack. I takt med att människor använder detta i allt större mängder ökar risken för att människor kommer i kontakt, att de blir knivhuggna eller sprayade, säger han. Och om jag får en mutagen sprayad i ögonen så vore det skönt att sluta med det.

Arbete med ett motgift kan också vara användbart precis som PR. Det skulle åtminstone kunna minska den mentala tillgängligheten till en elakartad personlighet, säger Schoeniger. Om du kan stänga av den kanske de inte bryr sig. Ur en psykologisk synvinkel är det trevligt att ha en 'av'-knapp. Det är bra för att placera den tekniken i samhället.

Schoeniger är inte under en illusion om att ett motgift mot CRISPR kommer att få hot att försvinna. Faktum är att säkerhetsproblemet växer, eftersom laboratorier förbättrar verktyget och uppfinner relaterade, var och en med olika implikationer för biodefenders. Forskare kan känna sig förbryllade över den enorma hastighet med vilken genredigering, och syntetisk biologi mer allmänt, accelererar och hur information sprids på nätet.

Vi tittar på teknikens övergripande riskfront, hur den fortsätter att utvecklas, och hur svårt [det är] att hålla sig på toppen av det, och hur snabbt människor kastar ut scenarier, och det är svårt att rationellt ta itu med den risken, säger Schoeniger . Under tiden, säger han, verkar det som att lära sig blockera CRISPR, i sin klassiska, enklaste form, som ett bra ställe att börja. Det verkar uppenbart att vi skulle vilja modulera tekniken, så låt oss göra det samtidigt som vi försöker reda ut prioriteringarna, säger Schoeniger. Till viss del är det en röra; ny teknik exploderar så snabbt.

Dölj