Gene-editing tool CRISPR wint de chemie Nobel

Door een bacterieel verdedigingsmechanisme om te vormen tot een van de krachtigste instrumenten in de genetica, hebben Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier de Nobelprijs voor scheikunde gekregen.

De prijs voor deze genetische schaar, CRISPR / Cas 9 genaamd, is “een fantastische prijs”, zei Pernilla Wittung-Stafshede, een lid van het Nobelcomité voor Chemie, op een persconferentie van 7 oktober in Stockholm door de Koninklijke Zweedse Academie. of Sciences om de prijs bekend te maken. “Het vermogen om het DNA te knippen waar je wilt, heeft een revolutie teweeggebracht in de levenswetenschappen. We kunnen genomen nu gemakkelijk naar wens bewerken – iets dat voorheen moeilijk of zelfs onmogelijk was. ”

“De genetische schaar werd pas acht jaar geleden ontdekt, maar heeft de mensheid al enorm geprofiteerd”, zei ze. “Alleen de verbeelding stelt de grenzen voor waar dit chemische hulpmiddel… voor kan worden gebruikt in de toekomst. Misschien komt de droom om genetische ziekten te genezen uit. ” Later wijzigde ze de verklaring om te zeggen dat ethiek en wetgeving ook belangrijk zijn om te bepalen wat er met de tool kan en moet worden gedaan, aangezien het bewerken van menselijke genen uiterst controversieel is.

Enkel en alleen vijf andere vrouwen ooit de Nobelprijs voor scheikunde hebben gewonnen. “Ik zou willen dat dit een positieve boodschap zou zijn, specifiek voor de jonge … meisjes die het pad van de wetenschap willen volgen, en ik denk om hen te laten zien dat vrouwen in de wetenschap ook prijzen kunnen ontvangen, maar nog belangrijker is dat vrouwen in de wetenschap kunnen hebben ook impact door het onderzoek dat ze doen ”, zei Charpentier in antwoord op een vraag tijdens de persconferentie.

De twee delen het prijzengeld van 10 miljoen Zweedse kronen, ongeveer $ 1,1 miljoen.

De tool, een programmeerbare moleculaire schaar die bekend staat als CRISPR / Cas9, wordt al miljoenen tot miljarden jaren door bacteriën en archaea gebruikt om virussen te bestrijden (SN: 4/5/17).

CRISPR staat voor Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. In wezen, deze korte, herhalende stukjes DNA sandwich bacterieversie van de meest gezochte lijst van de FBI – binnenvallende virussen. Elke keer dat bacteriën een virus tegenkomen, nemen ze er een DNA-mugshot van en bewaren het tussen de herhalingen. De volgende keer dat de bacterie dat virus tegenkomt, maken ze RNA-kopieën van de mugshots. Die RNA-fotokopieën werken vervolgens samen met een ander stukje RNA dat bekend staat als een trans-activerend CRISPR-RNA, of tracrRNA, om een ​​all-point bulletin te vormen dat bekend staat als een gids-RNA. Leid RNA’s die het DNA-snijdende enzym Cas9 naar het virus leiden, waar het enzym de dreiging hakt en elimineert.

Doudna van de University of California, Berkeley, en Charpentier, nu directeur van het Max Planck Institute for Infection Biology in Berlijn, ontmoetten elkaar in 2011 op een conferentie in Puerto Rico. “We liepen door Old San Juan en spraken over CRISPR / Cas9”, herinnert Doudna zich tijdens een virtuele persconferentie op 7 oktober. De wetenschappers besloten samen te werken om het bacteriële afweersysteem te bestuderen en veranderden het in een geneditor. Hun innovatie was om het mugshot-RNA te fuseren met het tracrRNA, waardoor een enkel gids-RNA werd gecreëerd. En de onderzoekers realiseerden zich dat de mugshots geen moleculaire afbeeldingen van virussen hoefden te zijn. In plaats daarvan, door de mugshot te vervangen door RNA dat overeenkomt met een gen, zouden de wetenschappers Cas9 kunnen instrueren om dat gen te knippen – of een ander gen eigenlijk.

Moleculaire schaar

CRISPR / Cas9 is een tweedelig hulpmiddel voor het bewerken van genen dat bestaat uit een gids-RNA en een enzym, Cas 9, dat DNA knipt. Een gids-RNA brengt het enzym naar een bepaalde plek in het DNA van een organisme dat onderzoekers willen knippen (de beoogde sequentie in dit diagram). De vlek is een chemische match voor het RNA. Eenmaal naar de juiste plek gebracht, knipt Cas9 het DNA.

Hoe CRISPR / Cas9 werkt

“De baanbrekend papier ze zijn samen gepubliceerd en zijn meer dan 9.500 keer geciteerd – ongeveer eens in de acht uur sinds de publicatie in 2012, ”zegt David Liu, een chemisch bioloog en onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute aan de Harvard University. Liu en anderen hebben het oorspronkelijke CRISPR-systeem gewijzigd, zodat onderzoekers het op verschillende manieren kunnen gebruiken.

De overwinning was “zeer langverwacht. Ik denk dat iedereen het over CRISPR heeft gehad [as a Nobel contender] nu al een hele tijd ”, zegt Luis Echegoyen, een chemicus aan de Universiteit van Texas in El Paso en voorzitter van de American Chemical Society. Hoewel de draagtijd van ontdekking tot Nobelprijs doorgaans veel langer is, is de onderscheiding voor CRISPR “al lang geleden”, zegt Echegoyen.

De belofte van CRISPR was meteen duidelijk, zegt Stanley Qi, een bio-ingenieur en biotechnoloog aan de Stanford University. Als student in het laboratorium van Doudna zat Qi op de eerste rang bij de ontdekking en wist toen dat CRISPR geweldige dingen zou doen. “In deze acht jaar zijn er zoveel doorbraken en vooruitgang geboekt”, zegt hij, “het gaat mijn verwachtingen ver te boven.”

Doudna en Charpentier “zijn blijven kijken naar de brede categorie van CRISPR” -enzymen, zegt Qi. Hun voortdurende werk heeft nieuwe inzichten bijgedragen in de evolutie en de mechanismen achter hoe het bacteriële systeem werkt. Doudna’s werk om de structuur en functie van het Cas9-enzym te definiëren, legde de basis voor het verbeteren van de nauwkeurigheid en efficiëntie van genbewerking, zegt hij.

Veel onderzoekers hebben deze genetische schaar nu naar de volgende stap gebracht, waarbij ze CRISPR / Cas9 gebruiken om genen in menselijke cellen te knippen en te bewerken. Wetenschappers zijn enthousiast over hoe goedkoop, veelzijdig en gebruiksvriendelijk CRISPR is. Onderzoekers hebben het gebruikt om genen te bewerken bij een grote verscheidenheid aan dieren, waaronder honden (SN: 30-8-2018), muizen (SN: 26-01-17), vlinders (SN: 8/24/16), koeien (SN: 2/3/17), varkens (SN: 8/10/17), slakken (SN: 14/5/19) en muggen.

De tool is ook gebruikt om gegevens te coderen en films op te slaan in bacterieel DNA (SN: 7/12/17). Planten en paddenstoelen hebben ook de CRISPR-behandeling gekregen. En de geneditor is gebruikt om menselijke immuuncellen te herprogrammeren om kanker te bestrijden (SN: 16/11/16) en om kankercellen tegen elkaar te keren (SN: 7/11/18).

Met de grote kracht van CRISPR komt grote controverse, waarschuwde Doudna in haar boek uit 2017 Een scheur in de schepping met co-auteur Samuel Sternberg. Hoewel de geneditor kan worden gebruikt om invasieve soorten uit te roeien en te voorkomen dat muggen ziektes overbrengen, kan het ook ervoor zorgen dat hele soorten uitsterven of ecologische rampen veroorzaken. Wetenschappers hebben al kleine populaties muggen in het laboratorium weggevaagd met behulp van een op CRISPR gebaseerde moleculaire kopieermachine die bekend staat als een gene drive (SN: 24-9-18).

Het meest controversieel is dat een wetenschapper in China genen in menselijke embryo’s heeft bewerkt en in 2018 tweelingbaby’s heeft geproduceerd (SN: 28-11-18). Het verzet tegen zijn acties was snel en luidruchtig. Maar veel mensen zijn bang dat de deur al openstaat voor ‘designerbaby’s’, ongelijkheden in de gezondheidszorg en andere vormen van misbruik (SN: 17/12/18).

“Deze enorme kracht van deze technologie betekent dat we er met grote zorg mee moeten omgaan”, zei Claes Gustafsson, voorzitter van het Nobelcomité voor Chemie, op de persconferentie. “Maar het is even duidelijk dat dit een technologie is … die de mensheid geweldige kansen zal bieden.”

Hopelijk zijn in 2019 klinische onderzoeken gestart die het vermogen van CRISPR / Cas9 om kanker, sikkelcelziekte, bèta-thalassemie en erfelijke blindheid te behandelen, testen (SN: 14-08-19). Als dit lukt, kan CRISPR / Cas9 therapieën of zelfs genezingen bieden voor voorheen onbehandelbare genetische aandoeningen.

CRISPR heeft ook een rol gespeeld bij de coronaviruspandemie, met op CRISPR gebaseerde diagnostische tests voor COVID-19 (SN: 31-8-20) en therapieën in ontwikkeling.

Toen Charpentier het nieuws ontving dat ze een nieuw geslagen Nobelprijswinnaar was, “was ik erg emotioneel”, zei ze op een persconferentie in Berlijn na de aankondiging. “Het is één ding om meerdere keren te horen dat je misschien op een dag de Nobelprijs krijgt, maar iets anders als het gebeurt.”

Charpentier hoopt dat de prijs een boodschap zal geven aan het publiek “dat fundamenteel onderzoek cruciaal is.” CRISPR / Cas9 is een “perfect voorbeeld van een ontdekking die een grote impact heeft in de biowetenschappen, in onderzoek en ontwikkeling, maar ook in de biotechnologie en de productie van voedsel, in de geneeskunde”, zei ze. “Dat komt echt voort uit puur, fundamenteel onderzoek – dat gaat heel diep in de mechanismen van het leven.”

Hun werk “is in tegenspraak met het idee dat fundamenteel en toegepast onderzoek verschillende kennisgebieden bezetten”, zei Douglas Clark, decaan van Berkeley’s College of Chemistry in Doudna’s persconferentie. Ze “zijn met elkaar verweven, net zoals DNA is.”

Doudna zei dat ze hoorde van haar overwinning toen een verslaggever belde om commentaar te vragen. Ze is het eerste vrouwelijke lid van de faculteit dat de Nobelprijs wint in de 150-jarige geschiedenis van UC Berkeley, merkte Carol Christ op, de kanselier van de universiteit. (Christus schonk ook Berkeley’s meest begeerde onderscheiding, een gratis parkeerplaats op de campus.) Doudna en Charpentier zijn de enige vrouwen die de scheikundeprijs delen. “Ik ben trots op mijn geslacht”, verklaarde Doudna toen hem werd gevraagd naar de betekenis van de primeurs. “Ik denk dat veel vrouwen het gevoel hebben dat hun werk nooit zal worden erkend zoals het zou zijn als ze een man waren. Ik wil die verandering zien, en ik hoop zeker dat dit een stap in de goede richting is. ”

Bijna alle wetenschappelijke prijzen voor CRISPR / Cas9 hebben Doudna en Charpentier geëerd. Enkele prijzen waren ook Feng Zhang van het Broad Institute of MIT en Harvard, die het patent heeft op het gebruik van de geneditor om veranderingen aan te brengen in eukaryote cellen, inclusief menselijke en dierlijke cellen. Octrooirechten zijn betwist door de instellingen van Doudna en Charpentier. Veel mensen dachten dat de prijs het werk aan CRISPR niet zou eren totdat het octrooigeschil was opgelost. (Zhang is lid van de Board of Trustees van de Society for Science & the Public, een educatieve non-profitorganisatie in Washington, DC, die ook publiceert Science News. Hij is ook een alumnus van de Vereniging Regeneron Science Talent Search.)

Twee andere wetenschappers, Rodolphe Barrangou van de North Carolina State University in Raleigh en Philippe Horvath van DuPont Nutrition & Biosciences in Dangé-Saint-Romain, Frankrijk, zijn ook geëerd voor ontdekkingen met betrekking tot CRISPR. Het duo ontdekte de natuurlijke rol van CRISPR als bacterieel immuunsysteem tijdens het werken met yoghurtbacteriën bij Danisco, een bedrijf in voedingsingrediënten.

En twee belangrijke prijzen – de Warren Alpert Foundation-prijs en de Kavli-prijs voor neurowetenschappen – hebben Virginijus Šikšnys geëerd, een biochemicus aan de Universiteit van Vilnius in Litouwen. Šikšnys schreef een onafhankelijk artikel waarin dezelfde innovatie van Doudna en Charpentier werd beschreven die werd opgehouden in het publicatieproces en pas drie maanden na het rapport van het UC Berkeley-team op de pers haalde.

Toen hem werd gevraagd of andere wetenschappers in aanmerking kwamen voor de prijs, zei Gustaffson: “Dit is een vraag die we nooit beantwoorden. We zijn gewoon ontzettend blij met de laureaten van dit jaar. Het is een groot veld en er wordt veel goede wetenschap gedaan. “

Stafschrijver Maria Temming heeft bijgedragen aan dit verhaal.