Stel je voor dat je elke genetische ziekte kunt genezen, voorkomen bacteriën van weerstand bieden aan antibiotica, verander muggen zodat ze kan geen malaria overdragen, kanker voorkomen of organen van dieren met succes in mensen transplanteren zonder afstoting. De moleculaire machinerie om deze doelen te bereiken is niet het spul van een sciencefictionroman in de verre toekomst. Dit zijn haalbare doelen die mogelijk zijn gemaakt door een gezin van DNA-sequenties genaamd CRISPRs.
CRISPR (uitgesproken als "scherper") is de afkorting voor Clustered Regularly Interspaced Short Repeats, een groep van DNA-sequenties gevonden in bacteriën die fungeren als verdedigingssysteem tegen virussen die een bacterie zouden kunnen infecteren. CRISPR's zijn een genetische code die wordt opgesplitst door "spacers" van sequenties van virussen die een bacterie hebben aangevallen. Als de bacterie het virus opnieuw tegenkomt, fungeert een CRISPR als een soort geheugenbank, waardoor de cel gemakkelijker kan worden verdedigd.
De ontdekking van geclusterde DNA-herhalingen vond onafhankelijk plaats in de jaren 80 en 90 door onderzoekers in Japan, Nederland en Spanje. Het acroniem CRISPR is in 2001 door Francisco Mojica en Ruud Jansen voorgesteld om de verwarring te verminderen die wordt veroorzaakt door het gebruik van verschillende acroniemen door verschillende onderzoeksteams in wetenschappelijke literatuur. Mojica veronderstelde dat CRISPR's een bacteriële vorm waren verkregen immuniteit. In 2007 heeft een team onder leiding van Philippe Horvath dit experimenteel geverifieerd. Het duurde niet lang voordat wetenschappers een manier vonden om CRISPR's in het laboratorium te manipuleren en te gebruiken. In 2013 publiceerde het Zhang-lab als eerste een methode voor het ontwerpen van CRISPR's voor gebruik bij muis- en humane genoombewerking.
In wezen biedt natuurlijk voorkomende CRISPR een cel zoek- en vernietigingscapaciteit. In bacteriën werkt CRISPR door spacer-sequenties te transcriberen die het doel-virus-DNA identificeren. Een van de enzymen die door de cel wordt geproduceerd (bijvoorbeeld Cas9), bindt zich vervolgens aan het doel-DNA en snijdt het af, schakelt het doel-gen uit en schakelt het virus uit.
In het laboratorium snijdt Cas9 of een ander enzym het DNA, terwijl CRISPR aangeeft waar het moet knippen. In plaats van virale handtekeningen te gebruiken, passen onderzoekers CRISPR-spacers aan om interessante genen te zoeken. Wetenschappers hebben Cas9 en andere eiwitten, zoals Cpf1, aangepast zodat ze ofwel een gen kunnen knippen of activeren. Door een gen uit en weer in te schakelen, kunnen wetenschappers gemakkelijker de functie van een gen bestuderen. Door een DNA-sequentie te knippen, kunt u deze gemakkelijk vervangen door een andere sequentie.
CRISPR is niet het eerste hulpmiddel voor genbewerking in de gereedschapskist van de moleculair bioloog. Andere technieken voor genbewerking zijn zinkvinger-nucleasen (ZFN), transcriptie-activator-achtige effector-nucleasen (TALEN's) en gemanipuleerde meganucleasen van mobiele genetische elementen. CRISPR is een veelzijdige techniek omdat het kosteneffectief is, een enorme selectie aan doelen mogelijk maakt en locaties kan targeten die ontoegankelijk zijn voor bepaalde andere technieken. Maar de belangrijkste reden waarom het zo belangrijk is, is dat het ongelooflijk eenvoudig te ontwerpen en te gebruiken is. Het enige dat nodig is, is een doelsite van 20 nucleotiden, die kan worden gemaakt door een gids samen te stellen. Het mechanisme en de technieken zijn zo gemakkelijk te begrijpen en te gebruiken dat ze standaard worden in curricula voor niet-gegradueerde biologie.
Onderzoekers gebruiken CRISPR om cel- en diermodellen te maken om genen te identificeren die ziekten veroorzaken, gentherapieën te ontwikkelen en organismen te ontwikkelen om gewenste eigenschappen te hebben.
Het is duidelijk dat CRISPR en andere technieken voor het bewerken van genoom controversieel zijn. In januari 2017 heeft de Amerikaanse FDA richtlijnen voorgesteld voor het gebruik van deze technologieën. Andere regeringen werken ook aan regelgeving om de voordelen en risico's in evenwicht te brengen.