Hoe werkt CRISPR-Cas?

Het DNA is een soort uitgebreide catalogus waarin alle instructies te vinden zijn die de eigenschappen van een organisme bepalen. Of het nu gaat om de kleur van ogen bij een mens, de vorm van de bladeren bij een plant of het soort antibioticum waartegen een bacterie resistent is, het zijn allemaal kenmerken die vast liggen in de code van het DNA.

Deze code bestaat uit een opeenvolging van 4 bouwstenen of basen, die aangeduid worden met de letters A, T, G en C. In het geval van Escherichia coli, een darmbacterie bij mens en dier die vaak als modelorganisme in het labo bestudeerd wordt, omvat de genetische code meer dan 4,6 miljoen posities of baseparen, terwijl het menselijk genoom opgebouwd is uit ongeveer 6 miljard baseparen. Een fout op slechts één van deze posities, ook wel een mutatie genoemd, kan zorgen voor een ingrijpende verandering in het organisme.

Zo zijn verschillende menselijke ziektes een gevolg van mutaties, zoals taaislijmziekte of de ziekte van Huntington. Niet alleen om deze fouten te corrigeren, maar ook om de informatie die in het DNA opgeslagen zit beter te begrijpen, zijn wetenschappers op zoek naar manieren om de genetische code aan te passen. De technieken die tot voor kort beschikbaar waren, bleken vaak zeer tijdrovend en arbeidsintensief. Zo kon het wel enkele maanden tot een half jaar duren om slechts één verandering aan te brengen in het DNA. Tot in 2012 CRISPR op de wereld werd losgelaten...

Wat is dat nu, CRISPR?

Bacteriën kunnen aangevallen worden door virussen. Ze vallen de bacteriën namelijk aan om zich voort te planten. Hierbij injecteert het virus een stukje DNA in de bacterie dat dan alle informatie bevat die nodig is om nieuwe virussen op te bouwen. Om zich te beschermen zal de bacterie dit stuk DNA dus moeten vernietigen nog voor de nieuwe virusdeeltjes gevormd worden. Een tijdje geleden werd ontdekt dat bacteriën zich tegen deze virussen konden beschermen door middel van het CRISPR/Cas systeem. Het CRISPR/Cas systeem is dus eigenlijk niet meer dan het immuunsysteem van bacteriën, zoals ook mensen een immuunsysteem hebben om zich tegen ziekteverwekkers te beschermen.  

Het CRISPR systeem zal eerst en vooral stukjes uit het vreemde virus-DNA halen en inplakken in het eigen DNA. Deze stukjes worden telkens in dezelfde regio in het DNA van de bacterie ingeplakt, ook wel de CRISPR regio genoemd. Deze regio bevat dus een verzameling van stukjes van alle vreemd DNA waar de bacterie al mee in contact is gekomen en kan aangewend worden om later infectie met diezelfde virussen snel te herkennen en onschadelijk te maken.

Het stukje DNA dat opgeslagen wordt doet vervolgens dienst als een soort gids voor het Cas9 eiwit, een moleculaire schaar. Cas9 is in staat om het DNA te knippen en wel op een zeer specifieke plaats die volledig bepaald wordt door het stukje dat eerder uit het vreemd DNA werd gehaald. Dus bij een aanval van een virus zal het Cas9 gegidst worden door het reeds opgeslagen stukje DNA van dat virus in zijn CRISPR regio en heel specifiek het geïnjecteerde DNA van dat virus kunnen knippen. De enorm hoge nauwkeurigheid van dit systeem en de mogelijkheid om heel specifiek op een bepaald stuk DNA te knippen bracht onderzoekers een paar jaar geleden op het idee om CRISPR/Cas te gebruiken voor genmodificatie in andere organismen.

Knippen in het DNA voor genmodificatie?

Inderdaad, dat klinkt op het eerste zicht een beetje vreemd. Het oorspronkelijke CRISPR/Cas systeem in bacteriën is namelijk bedoeld om DNA weg te knippen. Toch kunnen we dit gebruiken voor genmodificatie. Wanneer het DNA van een organisme geknipt wordt, zal het er alles aan doen om deze breuk te herstellen, zoniet zal het organisme sterven. Dit herstel kan gebeuren door het terug aan elkaar plakken van de twee losse eindjes. Daar treden echter heel wat fouten bij op wat niet gewenst is als je een specifieke verandering wil aanbrengen.

Gelukkig kan de cel de breuk in het DNA nog op een andere manier herstellen. Zo kan de cel een voorbeeldstukje DNA gebruiken om de plaats waar geknipt is terug te herstellen. Dit voorbeeldstukje DNA heeft identieke stukken met het oorspronkelijke DNA voor en achter de knipplaats. Daardoor kan het herkend worden en gebruikt worden voor herstel. We kunnen daar als onderzoeker nu zelf gebruik van maken door in dit stukje DNA onze gewenste veranderingen aan te brengen. Op die manier kunnen we één basepaar veranderen, extra stukjes invoegen, stukjes verwijderen of zelfs stukjes van richting veranderen. Zo opent CRISPR/Cas oneindig veel mogelijkheden voor het aanpassen van DNA.  

De CRISPR-revolutie

Uitvinders Emmanuelle Charpentier, Jennifer Doudna en Feng Zhang kwamen op het idee om de CRISPR/Cas moleculaire schaar van de bacteriën te gebruiken om DNA te knippen in andere organismen zoals planten, dieren en mensen. In 2012 kwamen de eerste berichten binnen dat CRISPR/Cas gebruikt kon worden voor het aanpassen van genetisch materiaal in menselijke cellen. Dit was het beginpunt voor de CRISPR-revolutie in de biologie.

Onderzoek naar het CRISPR systeem explodeerde in de daaropvolgende jaren en het gebruik van de techniek werd aangetoond in steeds meer verschillende organismen. Vele bedrijven werden opgericht om de techniek te commercialiseren. CRISPR/Cas wordt ook wel de 'Wetenschappelijke ontdekking van de eeuw' genoemd. De impact van CRISPR is zo enorm groot dat zijn uitvinders de afgelopen twee jaar kans maakten op de Nobelprijs, ware het niet dat er ondertussen ook een verwoede patentoorlog tussen hen aan de gang is die moet beslissen aan wie de CRISPR-rechten toebehoren.

Waarvoor kan CRISPR gebruikt worden?

Vele menselijke ziektes worden veroorzaakt door mutaties. Met CRISPR zouden deze fouten in het DNA gecorrigeerd kunnen worden. Ook voor verschillende soorten kanker zou CRISPR een oplossing kunnen bieden. Uiteraard staan nog heel wat ethische kwesties het effectief toepassen van CRISPR voor genetische manipulatie van mensen in de weg. Gezien de enorme kracht van CRISPR is het van groot belang dat de techniek enkel kan ingezet worden voor ethisch verantwoorde doeleinden.

CRISPR werd wel reeds ingezet voor het aanmaken van gewassen die meer bestand zijn tegen droogte of ziekteverwekkers. Ook algen werden reeds gemanipuleerd voor het optimaliseren van de productie van bio-brandstoffen. Door de brede toepasbaarheid zullen doorbraken in verschillende andere domeinen volgen in de nabije toekomst.

Lees ook:

• Toon Swings en Jan Michiels ontwikkelden een vereenvoudigde CRISPR-methode. Lees er HIER meer over.
• Bedenkster Emmanuelle Charpentier vertelt waarom de technologie zo snel door de wetenschappelijke wereld werd omarmd.