Wat is CRISPR/CAS9 technologie? Hoe werkt dat? Wat zijn de voordelen en nadelen? Wat zijn voorbeelden van waar het nu al gebeurt? Wat zijn de gevolgen?
CRISPR staat voor Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats.
Samen met enzym CAS9 kunnen wetenschappers met deze technologie heel nauwkeurig DNA bewerken. Dit is een vorm van genetische modificatie.
Hoe begon het?
In de lente van 2011 ontmoetten onderzoeker Jennifer Doudna en bacteriologist Emmanuele Charpientier elkaar op een congres over microbiologie in Puerto Rico. Het verhaal gaat dat ze tussen de lezingen door samen een wandeling maakten door de stad San Juan.
Chaerpentier vertelde Doudna over haar onderzoek naar het immuunsysteem van bacteriën. Bacteriën moeten zichzelf namelijk beschermen tegen virussen. Virussen hebben genetische mechanismes ontwikkeld om bacteriën binnen te komen en te vernietigen.
Een paar jaar eerder ontdekten twee Franse onderzoekers (Philippe Horvath en Rodolph Barrangou) van de Deense voedingsfabrikant Danisco één van de beschermingsmechanismen van bacteriën. Ze deden onderzoek naar bacteriën die konden helpen bij het maken van kaas en yoghurt.
Een aantal van deze bacteriestammen, zo ontdekten ze, konden heel gericht een deel van het DNA van het virus uitschakelen. Dit afweersysteem wist ook welke virussen vaak gingen aanvallen en kon vervolgens een specifiek deel van het DNA van het virus vernietigen.
Dit afweersysteem bestaat uit twee delen
Het eerste deel is de ‘zoeker’. Dit is RNA in het genoom van de bacterie, die een spiegelbeeld is van het DNA van het virus.
Zodra het DNA van het aanvallende virus wordt herkend, wordt het bacteriële eiwit CAS9 vrijgelaten. Dat is de ‘vernietiger’.
Doudna was gefascineerd door dit principe van de ‘zoeker’ en ‘vernietiger’ toen ze erover las.
Zij was gespecialiseerd in onderzoek naar de werking van RNA. In het begin vond ze het vooral eigenaardig. Het schijnt zelfs dat ze heeft gezegd dat “dit het meest obscure ding was waar ze ooit aan heeft gewerkt”.
Samen met Charpientier dook ze toch dieper in op de werking van het bacteriële afweersysteem. In 2012 kwamen ze erachter dat het systeem “programmeerbaar” is. Ze konden de ‘zoeker’ en ‘vernietiger’ aanpassen. Daarmee was het niet alleen meer geschikt voor bacteriën en virussen, maar kon je het ook toepassen op andere dieren, planten en wellicht ook mensen.
We gebruiken eigenlijk een evolutionair mechanisme om de evaluatie aan te passen.
“Emmanuelle Charpentier”
Genetische bewerking
Want wat gebeurt er als het DNA wordt aangevallen en vernietigd? De twee einden van het overgebleven DNA komen los en worden bijgesneden. Genen zijn zo ingericht dat ze zichzelf willen herstellen. Meestal maken ze daarvoor een kopie van een vergelijkbare gen in de cel.
Maar wat als de cel volstroomt met andere DNA?
Dan is de kans zeer groot dat het beschadigde gen de informatie één van deze genen gaat kopiëren. Het is alsof je een woord in de zin uitgumt en daar een nieuw woord voor in de plaats schrijft.
Deze techniek werd ‘genome editing‘ of ‘genome surgery’ genoemd.
Doudna en Charpientier publiceerden hun onderzoek in Science in 2012, De publicatie sloeg in als een bom. In de jaren daarna groeide de toepassing van deze techniek explosief. Het heeft nog wel wat beperkingen, maar CRISPR/CAS9 was significant makkelijker, krachtiger en efficiënter om genen te bewerken dan andere technieken die tot dan toe beschikbaar waren.
Potentie
Wel zijn er nog veel dingen die nog verder uitgezocht en ontwikkeld moeten worden, zoals het gebruik van CRISPR om de transcriptie van DNA naar RNA te wijzigen of door het epigenoom te bewerken. Het epigenoom is alles buiten het DNA, maar dat wel invloed heeft op de transcriptie. Dit valt in het veld van epigenetica [link onderin].
Desondanks zijn wetenschappers lyrisch over de mogelijkheden.
Zij spreken over de “golden age of genetic engineering”. Waarschijnlijk gaat deze techniek en haar nog betere opvolgers een drastische invloed hebben op allerlei domeinen van de gezondheidszorg, farmacie, milieubehoud, productie van voedingsmiddelen, het onderwijs, de overheid en de maatschappij.
Toepassingen
In een artikel in Vox werd aan een groep van wetenschappers gevraagd over welke toepassingen ze het meest enthousiast zijn. Voorbeelden die hierbij werden genoemd zijn onder meer het verbeteren van gewassen om te voldoen aan de groeiende vraag naar voedsel, nieuwe therapieën voor kanker en Alzheimer ontwikkelen, alternatieven ontwikkelen voor petrochemie (door kunststoffen te maken van gemodificeerde planten) en virussen zoals HIV, herpes en Malaria uit te roeien.Genetische modificatie
Volgens experts is dit de eeuw van de biologie.
In deze eeuw gaan we als mens levende weefsels beheersen. Denk aan ledematen die automatisch weer aangroeien, organen die in een laboratorium worden gekweekt, bacteriën die ons genezen en virussen die ons DNA kunnen herstellen. Dat is genetische modificatie, het sleutelen aan ons DNA. Het DNA dat het ‘operating systeem’ is van ons lichaam, andere dieren en planten. Kortom, alles wat leeft op aarde.
De basis hiervoor is genetica (in het Engels ‘genomics’). Dit is de studie van genomen. Een genoom is een set van genen van een cel of een organisme.
Dat is best complex, ga maar na. Het menselijk lichaam (dus ook dat van jou) bestaat uit ongeveer 37 biljoen cellen. In elke celkern zit DNA, dat verdeeld is over 46 chromosomen. In totaal heb je ongeveer tussen de 21.000 en 23.000 genen.
Genen wijzigen
Dat we steeds meer weten over onze DNA is mooi. Maar zodra je weet hoe dingen werken, dan hebben we als mens ook de neiging om daar op in te grijpen: hacken. Dat is niet zo gek. Een levende cel lijkt namelijk best wel op een computer.
Je kan het zo zien.
Het besturingssysteem van een cel zijn de A, G, C en T paren. Als je de volgorde kent, kun je inbreken op je cel en wijzigingen aanbrengen. Klinkt dit nu nog heel futuristisch? Nee hoor, bijvoorbeeld: de prijs om je hele DNA set te analyseren is spectaculair gedaald in maar een paar jaar tijd.
Visionairs zeggen dat deze technologie een nieuw soort internet gaat worden
Tien jaar geleden zou het nog 10 miljoen dollar kosten, tegenwoordig kan het voor 1.000 dollar of minder. . Denk aan auto’s die jou herkennen op basis van DNA. Maar denk ook aan bioterrorisme, of Facebook die je DNA gaat koppelen met je gedrag op het social media platform.
DNA hacking dan. Kunnen we ons DNA wijzigen, ten goede? Dus bij mensen die een been zijn verloren, dat dit automatisch weer kan aangroeien? Kunnen we virussen maken die ons beschermen tegen alle ziektes? Worden we een soort supermensen door DNA hacking?
Gezondheidszorg
In 2017 verscheen een publicatie in Nature van een groep onderzoekers onder leiding van Shoukhrat Mitalipov. Zij hebben ‘genetic engineering’ toegepast op 58 embryo’s. Het doel was om een gen te wijzigen die gerelateerd is aan een fatale hartaandoening. Volgens de onderzoekers was de ingreep bij 48 van de 58 embryo’s gelukt. Het is overigens nog niet mogelijk dit te testen, want het is (nog) niet toegestaan om deze genetische gemodificeerde embryo’s uit te laten groeien tot mensen.
De belofte van CRISPR/CAS9 is dat we erfelijke aandoeningen voorgoed kunnen verhelpen.
Niet alleen voor één individu, maar ook voor volgende generaties. Dit geldt zeker op korte termijn voor aandoeningen die gerelateerd zijn aan één gen, zoals de ziekte van Huntington, sikkelcelanemie en taaislijmziekte.
Hiermee gaan we als mensheid voor God spelen
Kunstmatige selectie in plaats van natuurlijke selectie.
In een zekere zin doen we dit al, door wijzigingen in onze leefstijl. Een mooi voorbeeld is een onderzoek in Groot-Brittannië, In een groot genetisch onderzoek met 150.000 sets bleek dat er in de laatste 50 jaar een toename is van de allelen op het gen dat gerelateerd is aan nicotine verslaving.
Mensen die dit genotype hebben zijn meer dan gemiddeld vatbaar om te gaan roken en jonger te sterven vanwege een aandoening gerelateerd aan roken. Maar de maatschappelijke visie op roken is in de afgelopen 50 jaar behoorlijk veranderd. Dit heeft invloed gehad op de (natuurlijke) selectie, waardoor dit genotype in één a twee generaties is toegenomen in de bevolking.
Het enige verschil is dat we nu met CRISPR/CAS9 direct de genen kunnen wijzigen.
Dit is directer, ingrijpender en verstrekkender. Het voorbehoud hierbij is dat het tijdspad dat de werkzaamheid tijdens een experiment in een laboratorium wordt aangetoond naar een daadwerkelijke therapie voor patiënten erg lang is. Dit kan zo 10 tot 15 jaar duren.
Gentherapie
Sommige genen hebben een directe impact op bepaalde ziektebeelden. Dit wordt al jaren gedaan, maar met CRISPR/CAS9 kan dit sneller, makkelijker en effectiever. In maart 2017 werd bekend dat onderzoekers in Frankrijk een tiener hadden behandeld met gentherapie voor sikkelcelziekte. Volgens experts is dit een “een mijlpaal” en “ontzettend veelbelovend”.
In de Verenigde Staten keurde de FDA gentherapie goed tegen kinderleukemie.
Onder de naam CAR-T worden de immuuncellen van de patiënten zo gewijzigd dat ze de ziekte gaan bestrijden.
Somatische gentherapie
Dit is de meest waarschijnlijke vorm van gentherapie: somatisch. Dit betekent dat jij je cellen uit het lichaam haalt, in een lab gewijzigd wordt en daarna weer wordt ingebracht. Dit is wat anders dan wijzigingen in de kiemcellen.
Als je daar wijzigingen in aan brengt, dan wordt dit doorgegeven aan de volgende generaties.
Als je een eenmalige wijziging aanbrengt die vervolgens doorwerkt naar volgende generaties, dan wordt dit ‘gene drive‘ genoemd. Zo wordt er gesproken over het veranderen van genen van bepaalde muggen, zodat die muggen geen malaria kunnen overdragen aan mensen.
Designer baby’s
Dit staat niet op zichzelf.. Alleen is het nu met CRISPR/CAS9 mogelijk om dit sneller, makkelijker en goedkoper te doen. Een voorbeeld dat deze ontwikkeling niet als donderslag bij heldere hemel kwam, is dat in 2009 al het eerste kind ter wereld kwam dat was ontworpen.
De vader van het kind had de meeste vrouwen in zijn familie zien overlijden aan verschillende vormen van kanker, die hun oorsprong hadden in mutaties in het BRCA-1 gen.
De vader had samen met zijn vrouw verzocht om toestemming voor reageerbuisbevruchting en screening van de bevruchte eicellen. Van de onderzochte eicellen kozen de artsen er een zonder BRCA-1 mutatie. Dat betekent dat vanaf de volgende generatie deze mutatie in die familie niet meer kon voorkomen.
In de media brak grote tumult uit.
Volgens experts beweegt de medische wetenschap zich hiermee op een “hellend vlak”. Immers, als we nu nog gebreken gaan uitfilteren door genetische selectie, gaan we dan straks selecteren op positieve eigenschappen zoals spierkracht en intelligentie?
Genetische manipulatie bij mensen
De toon is gezet. Hoe snel we genetische manipulatie bij mensen gaan toepassen, dat hangt niet af van de technologie – die is er namelijk al – maar meer van wat we willen toepassen als samenleving.
Ontwikkelingen
DNA op zich is niet bepalend. Keuzes in je lifestyle en een mate van willekeurigheid bepalen uiteindelijk of bepaalde schakelaars in je lichaam aan of uit gaan. Deze complexiteit zorgt direct voor een discussie onder de aanwezigen. Zijn medisch specialisten nog wel nodig in de toekomst?
Als iedereen zijn of haar hele DNA laat analyseren en we vervolgens kunstmatige intelligentie hier slimme algoritmes op laten rekenen?Er zijn nog zoveel andere factoren van invloed. Op basis van data kun je nog geen rechte lijn van oorzaak naar gevolg onderscheiden.
Wat zijn drie andere ontwikkelingen op dit gebied?
Zelf testen
Human Genome Project
Kosten
Opslag van data in DNA
1 Zelf testen
Inmiddels worden er bij een aantal huisartsen zelftesten aangeboden.
2 Human Genome Project
Een ander voorbeeld waaruit de toenemende interesse blijkt, is het Human Genome Project. Toen hiermee werd gestart in 1988 leek het nog een utopie om de structuur van het menselijk genoom volledig in kaart te brengen. De technologie ging echter zo snel, dat het ruimschoots voor de deadline klaar was. Nu kost het analyseren van een volledig genoom van een mens minder dan 1.000 dollar.
3 Kosten
De apparatuur bij het UMC Utrecht analyseert 30 keer de 3 miljard DNA basisparen (de combinatie van de A, C, G en T paren). Dat doet ze 30 keer om de kans op fouten te reduceren. Terry laat ook de Min.ion zien. Dit apparaatje kun je in de USB-aansluiting van je laptop pluggen. Het apparaat zelf is gratis, maar de cartridge die je per test moet gebruiken kost nu (nog) 1.250 euro.
Daarnaast kun je er niet in spugen om je DNA te analyseren, maar moeten nog wat voorbereidingen worden verricht op je DNA. Het gaat echter wel snel. Terry: “Dit apparaat heeft een betrouwbaarheid van 90%. Dat lijkt misschien nog niet veel, maar dat was een jaar geleden nog maar 50%.”
4 Opslag van data in DNA
DNA is de beste manier om informatie in op te slaan. Je kan het duizenden jaren bewaren, het kan tegen extreme koude of warmte en je kan miljoenen kopieën per uur maken.
Is dit een gamechanger? Nou en of!
Doe het zelf
De startup The Odin brengt zelf CRISPR/CAS9 setjes uit waarmee je kan experimenteren.
De eigenaar van The Odin is de excentrieke biochemicus Josiah Zayner. Hij injecteerde zichzelf met gemodificeerde cellen om gespierder te worden [link onderin]. Zijn doel hiermee was niet om de werkzaamheid te demonstreren:
“Dat is al lang en breed aangetoond”. Zijn doel was vooral om het stigma van deze ontwikkeling af te halen: “Discussies over het bewerken van genen gaan vaak over mogelijkheden, maar ik wil aantonen wat het echt kan doen”.
Eerder kwam Brian Hanley in het nieuws Hij is microbioloog en oprichter van het bedrijf ‘Butterfly Sciences’. Het bedrijf werkt aan genetische bewerking als methode om de gezondheid van AIDS patiënten te verbeteren. Uiteindelijk wil het bedrijf genetische modificatie inzetten tegen veroudering.
Nadat investeerders in het bedrijf niet heel enthousiast bleken, bedacht Hanley om de eerste proeven dan maar op zichzelf te doen. “Ik wilde bewijzen dat het werkt. Dat is de enige manier om vooruitgang te boeken”.
Een paar weken later werd een bloedtest bij hem afgenomen. De onderzoekers zagen een verhoogd niveau van GHRH hormoon (wat volgens de hypothese zou moeten aantonen dat de interventie succesvol was), al waarschuwden ze wel dat ze geen voorbarige conclusies hieruit wilden trekken.
Wat zijn mogelijke nadelen van genetische modificatie?
#1 Bioterreur.
Een boeiend artikel komt uit The Atlantic uit november 2012, genaamd ‘Hacking the president’s DNA’ [link onderin]. Het DNA van elke persoon is uniek, zelfs van eencellige tweelingen.
Dit maakt een vorm van bioterreur mogelijk waarmee je heel specifiek bepaalde mensen kunt aanvallen. Dit virus wordt overgedragen als de griep, maar doet niets. Totdat het als een sleutel in een slot past bij diegene die je wil aanvallen.
#2 Sociale ongelijkheid.
Wat als het straks mogelijk is om je genen te wijzigen? Ontstaat er dan een verschil in de samenleving tussen mensen die dit willen en kunnen betalen? Ontstaat er dan meerdere groepen in de maatschappij: natuurlijke mensen en supermensen?
Kansen
Wat zijn de kansen van genetische modificatie? Sommige experts op dit terrein verwachten dat de medische wetenschap hiermee straks in staat is om 3.000 genetische ziektes blijvend te genezen.
Om die reden zetten veel bedrijven in op deze technologie. Voorbeelden hiervan zijn Editas, Caribou en CRISPR Therapeutics Door de beschikking van grote hoeveelheden genetische data én de mogelijkheid om deze straks te kunnen programmeren en wijzigen, wordt verwacht dat deze bedrijven de nieuwe Google’s, Facebook’s en Apple’s worden.
Op het World Economic Forum in Davos in 2018 was genetische modificatie één van de meest besproken onderwerpen. Feng Zhang van MIT (Massachusetts Institute of Technology) was tijdens een discussie hoopvol, zo blijkt uit een artikel van de NRC:
“We worden steeds beter in DNA lezen en veranderen.” Daarmee kunnen we straks eigenschappen van het ene organisme in het andere plaatsen. “Er is een enorme uitsterving van dier- en plantsoorten bezig op aarde, wellicht kunnen we die hiermee stoppen.”
Maar wat als het onverhoopt misgaat?
Stel je voor dat we olifanten genetisch gaan bewerken, maar dat het voor nadelige en onverwachte gevolgen in de rest van het ecosysteem zorgt? Mary Cummings, directeur van het ‘Humans and Autonomy-lab’ geeft een voorbeeld.
Ze vertelt dat drones worden ingezet tegen stropers. Het blijkt echter dat de frequentie waarop de drones bedient worden, dezelfde frequentie is als die bijen uitzenden. Dit lokt een krachtige stressreactie op bij de olifanten, voor wie de bijen een natuurlijke vijand zijn.
Noodknop
Dezelfde Zhang denkt dat de oplossing hier technologisch is, namelijk een soort van noodknop: “We slagen er steeds beter in om in sterk aangepaste genetische organismes een soort moleculaire kill switch in te bouwen.” Dit werkt dan als een soort van schakelaar voor als het organisme zich slecht gedraagt.
Wat de overheid hiermee moet?
In het artikel in de NRC komt VN-gezant Thomson aan het woord: “Er is simpelweg nog geen wereldwijde discussie over het bedenken van goede wetgeving voor dit soort technieken.” Dat is het lastige voor overheden, juridische- en politieke organen. Je loopt bijna altijd achter de feiten aan.
Beleid
Neem het concept van de Genesis Engine [link onderin]. Amy Maxman schreef dit voor magazine Wired in 2015. De eerste stap is dat we DNA van miljoenen mensen gaan analyseren om te onderzoeken welke genen een relatie hebben met bepaalde aandoeningen.
Als de relaties duidelijk zijn en de technologie voor genetische modificatie verder ontwikkelt, dan zijn we in staat om mensen te programmeren zoals we vandaag de dag ook doen met software en apps.
Wat betekent dit voor ons mens zijn?
Er gaat heel veel veranderen de komende jaren.
Auteur: Peter Janssen
- hacking the Presidents DNA (Atlantic)
- Onderzoek Science over CRISPR/cas9
- Boek The Gene
- Onderzoek in Nature van Mitalipov
- Onderzoek van UK Biobank
- Artikel Josiah Zayner
- Artikel Brian Hanley
- Artikel Volkskrant
- Documentaire Tegenlicht
- Artikel The Genesis Engine
- Bedrijven op dit thema: Editas Medicine, Caribou Biosciences en CRISPR Therapeutics
