Dette er CRISPR: Dei nyttar ny genteknologi for å endre DNA i stamceller

På Institutt for biovitskap (IBV) ved Universitet i Oslo snakkar forskar Beata Nadratowska-Wesolowska entusiastisk om framtida for CRISPR. Teknologien let ho og andre forskarar klippe og lime i DNA'et til alle typar levande celler.

For berre nokre månader sidan skal teknologien ha vorte nytta til å r eparere ein genetisk sjukdom i embryo frå menneske (sjølv om det no er skepsis til om det verkeleg skjedde). Uansett er det venta at CRISPR kjem til å revolusjonere medisinsk behandling i framtida.

Å utføre målretta, genetiske endringar i levande celler gir klare etiske utfordringar. Ny teknologi pressar seg fram og flyttar grenser og regelverk. Men for forskarane på IBV er det ikkje snakk om å lage supermenneske eller designbabyar.

– CRISPR er blitt ein basisteknologi på laboratoriet, seier Nadratowska-Wesolowska.

Klipp og lim i alle typar levande celler

Teknologien kjem frå eit gjennombrot i 2012, då forskarar oppdaga eit forsvarssystem i bakteriar: Enzymet Cas uskadeleggjer farlege virus ved å kutte virus-DNA'et i småbitar. På laboratoriet kan forskarane instruere Cas-enzymet til å kutte kvar som helst i cellene sitt DNA. Teknologien kan brukast på celler frå menneske, mus, planter, fisk og fluger.

Cellene er svært små, men CRISPR gjer det mogleg å utføre presise gentiske endringar i kvar av dei. Foto: Åsmund H. Eikenes/UiO

– Eg har nytta CRISPR til å øydelegge eit bestemt gen i cellene eg arbeider med, fortel postdoktor Rita Pinto.

Ho har nytta CRISPR på embryonale stamceller frå mus, celler som forskarane held i live på laboratoriet ved å gje dei næring og varme i små plastskåler. Når Cas har kutta i DNA'et, oppdagar cella at noko er gale. Reparasjonsmaskineriet vil prøve å rette opp skaden, men det går ikkje alltid heilt feilfritt. Som oftast vert det nokre små endringar i DNA'et etter reparasjonen. Dersom Cas har kutta i starten av eit gen, vil endringane føre til at oppskrifta i genet ikkje fungerer som normalt.

Pinto fortel at når det bestemte genet er øydelagd, kan ho deretter undersøke kva effekt det har på cellene. Ho arbeider i forskingsgruppa til professor Pål Falnes og nyttar CRISPR for å forstå korleis eit enzym påverkar celleulære prosessar ved å setje på kjemiske merkelappar på andre protein, DNA og RNA.

– CRISPR er svært viktig for å bygge verktøy på laboratoriet, seier ho.

Utviklar ny teknologi

Nadratowska-Wesolowska er ein del av forskingsgruppa til Ragnhild Eskeland, der dei forskar på korleis DNA'et er organisert i tre dimensjonar i cellekjernen. Ho nyttar ikkje CRISPR til å klippe ut små DNA-bokstavar. Ho nyttar i staden teknologien for å lime inn små bitar av bakterie-DNA i musecellene.

– Målet med prosjektet er å utvikle teknologi som gjer det mogleg å observere eit enkelt gen i levande celler, forklarar ho.

Oppgåva er utfordrande fordi ho ønskjer å bruke eit fluoriserande fargestoff som bind seg til DNA'et, men som ikkje forstyrrar cella. Fargestoffet gjer at ho kan nytte mikroskop for å sjå DNA'et som ein prikk inne i cellekjerna.

Nadratowska-Wesolowska lyt vere sikker på at observasjonane hennar ikkje påverkar dei normale prosessane i cella ho undersøker. Cellene er svært små, og DNA'et er endå mindre. Men CRISPR er til stor hjelp.

– Kvart eksperiment startar med mykje planlegging, forklarar ho og gir ein oversikt over eit eksperiment frå start til slutt.

Bioinformatikk og kloning

– Først må eg finne ut om eg ønskjer å klippe i eller modifisere DNA'et, seier ho.

Til kvart alternativ finst det ulike versjonar av Cas-enzymet å velje mellom. Vidare må ho bestemme seg for kva for eit gen ho vil sende Cas til. Ho tek i bruk bioinformatiske verktøy for å designe eit kort RNA-molekyl som fungerer som cellulær turguide for Cas.

Når alle verktøya kjem i posten, lyt ho deretter klone DNA-fragmenta inn i ein bakterie, for så å isolere DNA'et i tilstrekkeleg mengde til å bruke i eit eksperiment. I tillegg til Cas og guide-RNA'et som saman utfører klippinga, skal ho tilsette DNA frå bakteriar, ein DNA-sekvens som ho håpar at cella skal sette inn akkurat der som Cas har kutta. Cellene får også eit ekstra DNA som inneheld eit gen for antibiotikaresistens.

Musestamcellene på laboratoriet treng dagleg tilsyn, så veka før eksperimentet byrjar, må ho besøke laboratoriet både laurdag og søndag. Ho tilsett dei fire reagensane til cellene, gir dei eit kort elektrosjokk og ventar. Ho kryssar fingrane og håpar at ei celle tek til seg alle ingrediensane samtidig og at CRISPR fungerer som lova.

Tre månadar fram til genmodifiserte stamceller

Dagen etter tilsett ho antibiotika til cellene, og 90 prosent av dei døyr. Det er berre cellene som har tatt til seg genet for antibiotikaresistens, som overlever. Ei veke seinare startar jobben med å sortere ut kva for nokre av cellene som har gjort som planlagt. Finst det ei celle der Cas har klippa DNA'et etter instruksjon frå guide-RNAet og sett inn det framande bakterie-DNA'et?

– I eitt av forsøka var det berre 1 av 400 celler som var riktig. Dersom ingen av cellene har gjort som planlagt, lyt eg starte om att, seier Nadratowska-Wesolowska.

Prosessen ho skildrar, er blitt ein ny klassikar for bioteknologisk forsking rundt om i verda, der CRISPR vert nytta for å lage celler med nye eigenskapar. Dei to forskarane estimerer at det tek om lag tre månader å lage celler med presise endringar eller modifikasjonar. Så kan sjølve eksperimentet ta til.

Sidan 2012 har utviklinga innan CRISPR gått svært fort. Pinto samanliknar tempoet med den digitale revolusjonen.

– Det kjem noko nytt og kult, men til slutt blir det bytta ut. Berre tenk på korleis vi såg på datamaskiner for 20 år sidan. No tenker vi nesten ikkje på dei lengre. Utviklinga skjer også raskt innanfor livsvitskapen.

Les også: Da CRISPR-oppfinner Emmanuelle Charpentier besøkte Oslo, kom det så mye folk at dørene måtte stenges av sikkerhetshensyn

Presisjon og usikkerheit

Dei trekk fram presisjonsnivået til Cas-enzymet som den største utfordringa for å nytte CRISPR i behandling av menneske. Fleire studiar har nemleg vist at Cas ikkje alltid er så presis som ein skulle ønske.

Dersom Cas kuttar mange stader i DNA'et til friske celler som skal injiserast i ein pasient, kan ein risikere at teknologien bidreg til meir sjukdom og ikkje berre til betre helse. Fleire forskarar har difor laga spesielle versjonar av Cas, samt utbetra bioinformatiske verktøy for å redusere faren for ukontrollerte kutt i DNA'et.

– Det trengs mange år med testing. Vi må vere sikre på at teknologien ikkje skadar pasientane, seier Nadratowska-Wesolowska.

CRISPR for kreftpasientar

Dei siste to åra er CRISPR blitt tatt i bruk som ein del av utprøvande behandling for nokre få kreftpasientar. Lungekreftpasientar i Kina og blodkreftpasientar i USA kan til dømes få delta i eksperimentell behandling der immunceller blir endra med CRISPR på ein måte som hjelper cellene med å oppdage kreftsvulsten.

På verdsbasis er det sett i gang over 20 kliniske forsøk der CRISPR vert nytta i behandling. I tillegg til modifiserte immunceller for kreftpasientar, nyttar andre forskarar CRISPR for å klippe ut dei to virusa HPV og HIV frå pasientar sine celler. Pasientar som er blinde, samt ungdomar med muskelsjukdomen Duchennes muskeldystrofi, er også optimistiske for potensialet i teknologien.

– Det er ein lang veg å gå, men moglegheitene er svært mange, konkluderer Pinto.

Saken er først publisert på Titan.uio.no

Les også:

DNA-lagring kan gi plass til all verdens data i ett rom

Genetisk hacking 2.0

Så mye neandertaler er det i deg