Gentechnik-Verfahren CRISPR/Cas9

Seit vielen Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, die DNA zu beeinflussen, um schwere Krankheiten zu bekämpfen, Fehlbildungen und Krebs zu beseitigen und vieles mehr. Dazu muss man wissen, wie die DNA zu beeinflussen, ihre Sequenzen zu verändern, nicht benötigte Sequenzen zu entfernen, aber vor allem, dies sicher für den menschlichen Körper zu tun.

Und jetzt haben Wissenschaftler in Harvard eine völlig neue DNA-Editierungstechnologie entdeckt, die jetzt als die vielversprechendste und einzigartigste gilt. Ihr Name ist CRISPR (eng. clustered regularly interspaced short palindromic repeats), was so viel bedeutet wie kurze palindromische Wiederholungen, die in regelmäßigen Abständen in Clustern angeordnet sind.

Der vollständige Name lautet CRISPR/Cas9. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Gene in der DNA so zu verändern, dass andere Prozesse nicht beeinträchtigt werden. Die Technik basiert auf einem kleinen Element des bakteriellen Abwehrsystems, dem beigebracht wurde, Veränderungen an der richtigen Stelle in der DNA zu finden und vorzunehmen.

Wie wurde CRISPR/Cas9 entwickelt?

Japanische Wissenschaftler haben 1987 mit der Untersuchung von E. coli begonnen und Sequenzen in der DNA gefunden, die sich regelmäßig wiederholen. Sie schienen ungewöhnlich und unterschieden sich von den anderen durch ihre Allgemeinheit. Trotz harter Arbeit konnte die tatsächliche Funktion dieser Sequenzen nicht bestimmt werden.

Und so war es bis 2007. Bis Streptokokken-Bakterien-Forscher entdeckten, dass solche DNA-Abschnitte Teil des Immunsystems, also des Bakteriums selbst, sind. Damit wurde ein Durchbruch in der Erforschung der Gentechnik im Allgemeinen erzielt. Die Wissenschaftler haben begonnen, diese Struktur genauer zu untersuchen und festgestellt, dass sie eine wichtige Rolle im Leben eines Bakteriums spielt.

Wir alle wissen, dass wir von Mikroorganismen umgeben sind, die wir nicht wahrnehmen. Aber auch solche kleinen Lebewesen haben Gene, die für die Proteinsynthese kodieren. Stellen Sie sich vor, ein Bakterium trifft auf einen Virus. Und um zu verhindern, dass es von einem eindringenden fremden Organismus getötet wird, schaltet es sein eigenes Immunsystem ein, das das Virus bekämpft. Es basiert auf CRISPR, einem Komplex von sich wiederholenden DNA-Abschnitten. Und dazwischen befinden sich Spacer mit Genomfragmenten von Viren, mit denen dieses Bakterium bereits in Kontakt gekommen ist.

Wenn ein Bakterium in der Lage ist, ein Virus zu beseitigen, zerschneidet es dessen genetisches Material und speichert es in CRISPR-Sequenzen. Diese Daten werden dann bei neuen viralen Angriffen verwendet.

Dies ist vergleichbar mit der Funktionsweise von Antivirenprogrammen auf Computern: Sie verfügen über eine Datenbank mit Virenfragmenten und verwenden diese, um Schädlinge zu identifizieren. Auf diese Weise erinnert sich die Zelle an die Eindringlinge. Das am besten untersuchte Crisper-Effektorprotein Cas9 und der RNA-Führer helfen ihm, sie zu bekämpfen. Dies ist ein Teil des Genocodes für die Warteschlangenerkennung.

Wenn ein Virus in eine Zelle eindringt, wird ein Vergleich seiner Gene mit Fragmenten, die bereits in der „Datenbank“ des Bakteriums vorhanden sind, aktiviert. Und wenn der gleiche oder ein sehr ähnlicher Spacer gefunden wird, fügt sich der RNA-Führer zwischen die Stränge der Doppelhelix ein und bricht sie. Und das Cas9-Protein spaltet das Genom und neutralisiert die Bedrohung.

Auf diese Weise sammelt das Bakterium in seinem kurzen Leben Daten und gibt sie an die nächste Generation weiter, die bereits mit den Mechanismen zur Bekämpfung bestimmter Viren geboren wird.

Was wird das für die Menschheit bedeuten?

Als die ersten positiven Ergebnisse bekannt wurden, wurden sie in vielfältiger Weise aktiv genutzt. Im Jahr 2011 haben Wissenschaftler festgestellt, dass das Cas9-Protein hintergegangen werden kann, indem man ihm eine künstliche RNA-Sequenz unterschiebt, die es sich merken kann.Und wenn ein solches Protein in einen lebenden Organismus, z. B. einen menschlichen, wird es nach Ähnlichkeiten suchen. Sobald es die richtige DNA-Sequenz gefunden hat, beginnt sie von drinnen in Teilchen zu zerschneiden.

Und im Jahr 2013 konnten Wissenschaftler zeigen, dass das CRISPR/Cas9-System nicht nur Gene zerstören, sondern auch die richtigen Gene an der richtigen Stelle einfügen kann. Er schneidet die DNA und fügt die von ihm eingebrachte Sequenz ein. Es wurde auch bewiesen, dass die Technologie sicher bei Mäusen und Menschen eingesetzt werden kann.

Und danach ist die Zahl der Studien und Forschungsarbeiten sprunghaft angestiegen. Im Jahr 2017 gibt es bereits mehr als 14.000 veröffentlichte Projekte.

Die nützlichsten und vielversprechendsten sind:

1. Bekämpfung von Genkrankheiten (Sichelzellenanämie, Huntington-Krankheit, Verhinderung der Entwicklung einer HIV-Infektion usw.)
2. Bearbeitung menschlicher Keimzellen. Theoretisch ist es realistisch, die DNA von Embryonen zu verändern, die das Mukoviszidose-Gen haben könnten. Dies könnte dann aber zu einer genetischen Projektion von Neugeborenen führen, was die WHO mit großer Sorge betrachtet.
3.  Außerdem wollen sie mit CRISPR die Gene von Embryonen verändern, um Anomalien zu erkennen, die zu Fehlgeburten führen.
4. Biologen zufolge könnte die Technik auch dazu verwendet werden, die Aktivität von Zellen wie T-Lymphozyten zu erhöhen. Dies soll dem Immunsystem helfen, menschliche Krebszellen zu erkennen und zu entfernen.
5. Auswirkung auf die Kulturpflanzen von CRISPR/Cas9. Mit dieser Technologie können die Landwirte eine bestimmte Kulturpflanze widerstandsfähiger gegen Hitze oder Kälte machen oder einfach die Früchte süßer. Und sie können auch einfach das Gen aus der Pflanze entfernen, das bei Menschen allergische Reaktionen hervorruft.

CRISPR/Cas9 für die Behandlung von Erbkrankheiten.

Bisher haben die Wissenschaftler einen Mechanismus für die Genmanipulation gefunden, der geeignet ist, bestimmte Erbkrankheiten zu beseitigen. Stellen Sie sich vor, Sie müssen eine mutierte oder unerwünschte Nukleotidsequenz finden und sie aus der DNA herausschneiden. Dies ist genau die Aufgabe, die das Cas9-Protein erfüllen kann, wenn es vorher programmiert wurde. Es findet die schlechte DNA-Sequenz und beginnt, sie zu zerstören. Aber unser Körper wehrt sich, und der Mechanismus der „Reparatur“ dieser Brüche wird aktiviert, so dass alles wieder so wird, wie es war. Und wenn dann das Cas9-Protein mit den gesunden Sequenzen in den Körper eingebracht wird, baut die Zelle sie in ihre DNA ein. Auf diese Weise können wir Dutzende von Erbkrankheiten, Mutationen und Fehlbildungen beseitigen.

ZFNs und TALENs-Technologie

Es gibt mehrere andere vielversprechende Technologien, die in die Gene eindringen und sie verändern können.

Eine davon sind TALENs. Впервые он был использован для лечения рака в больнице Great Ormond Street Hospital в Лондоне. Diagnose des Patienten: Aggressive Form der Leukämie. Die herkömmliche Therapie zeigte keine Wirkung. Durch die experimentelle Anwendung einer neuen Genmanipulation-Technik ist sie die erste und einzige Person, die geheilt wurde.

Der Grundgedanke der Methode ist, dass das Protein TALEN eine unerwünschte DNA-Sequenz zerstört, indem es den Selbstzerstörungsprozess aktiviert. Das ermöglicht es der Zelle, eine bereits gesunde, an ihrer Stelle eine schlechte Zelle zu bilden. Damit ist diese Technologie eine der sichersten gentechnischen Verfahren. Aber es gibt noch viel zu erfahren.

Die zweite Technologie ist ZFNs. Die ersten Studien wurden in Kalifornien durchgeführt, um HIV zu bekämpfen. Die Methode beruht im Wesentlichen darauf, dass Immunzellen aus dem Blut von HIV-Patienten gewonnen werden. Dann haben die Wissenschaftler das CCR5-Gen aus ihnen entfernt, das die Infektion nutzt, um zu anderen Zellen vorzudringen. Diese Technologie basiert auf einer Genmutation und verleiht den Patienten eine natürliche Immunität gegen die Krankheit.

Aber wir dürfen nicht vergessen, dass die Forschung experimentell ist. Sie kann erst dann in der Medizin eingesetzt werden, wenn Experten die Sicherheit dieser Methoden vollständig nachgewiesen haben.

Ethische Aspekte.

Heutzutage hat ein internationales Gipfeltreffen zu Fragen des menschlichen Genmanipilation die Anwendung einiger gentechnischer Verfahren und nur bestimmte Personen und Labors in der Welt zugelassen. Allerdings nur für generative Zellen oder frühe menschliche Embryonen, die später nicht für eine Schwangerschaft verwendet werden sollen.

Biologen schließen auch nicht aus, dass die genetische Veränderung menschlicher Embryonen bei schlechter Kontrolle zur Geburt des ersten genetisch veränderten Kindes in einem Labor führen könnte.

Wissenschaftler behaupten, dass die Öffnung des Zugangs zur Gentechnik den Menschen ernste Probleme bereiten könnte. Es ist noch nicht klar, welche langfristigen Folgen die Gentechnik hat. Immerhin handelt es sich um eine recht junge Wissenschaft, die noch nicht einmal 100 Jahre alt ist.

Auch die meisten Religionsgemeinschaften äußern ihre Befürchtungen und halten die Gentechnik für ein „Götterspiel“.

Die neueste Forschung in der Welt der Gentechnik

März 2020 – Wissenschaftler untersuchen ein neues CRISPR-System. Es kann die DNA gleichzeitig an verschiedenen Stellen schneiden und Genfragmente entfernen. Neben Cas9 umfasst es auch Cas12a. Dieses spaltet mit seiner Ribonuklease-Aktivität die RNA in ein Paar von Leitstrukturen. Diese Technologie wird CHyMErA genannt.

CRISPR/Cas9/Cas12a ist heute eine der vielversprechendsten Methoden der Welt und wird sich in den kommenden Jahren noch weiter entwickeln und verbessern. Das Wichtigste ist, dass diese Technologie nicht nur wirksam, sondern auch schnell, kostengünstig und völlig sicher ist.