Artikkel

Genetisk hacking 2.0

Illustrasjon av CRISPR
CRISPR åpner store muligheter for genetisk hacking. Hva med å studere genene til en blåhval i en gulrot? Illustrasjon: National Human Genome Research Institute (NHGRI)

Genetisk hacking 2.0

Hobbygartnerene trenger større hager i fremtiden. For med den nye generasjonen bioteknologi kan vi dyrke gulrøtter på størrelse med blåhval.

Arvematerialet ditt er som et operativsystem for kroppen. OSet er koden til smarttelefonen din. Det er denne koden som tolker alt du putter inn i telefonen og leverer ut igjen noe du kan forstå.

Akkurat som en smarttelefon trenger kroppen en kode for å fungere. DNAet er kroppens kode. Alt som lever her på jorda bruker samme byggesteiner til å danne sin kode eller sitt «OS».

Det er rekkefølgen på byggesteinene som skiller et «OS» fra et annet, eller en organisme fra en annen. Kan vi endre rekkefølgen?

Se for deg en gulrot og en blåhval. Er det mulig å dyrke en gulrot, på størrelse med en blåhval?  En datamaskin lar seg fra tid til annen oppdaterer og endre. I teorien kan vi også gjøre det med levende organismer. Den nye generasjonen bioteknologi ser ut til å gjøre dette også i praksis.

Stian Eide Ingebrigtsen
Student Stian Eide Ingebrigtsen ser på mulighetene for å "hacke" naturen. Ingebrigtsen har tatt formidlingskurset MNKOM ved UiO.  Foto: Stian Eide Ingebrigtsen.

«Det er rekkefølgen på byggesteinene som skiller et OS fra et annet…»

Ny generasjon Bioteknologi

CRISPR/Cas9 er en ny teknikk i genteknologi som gjør det mulig å redigere og oppgradere OSet med en presisjon som tidligere ikke har vært mulig.

Dette er et fremskritt som gjør det mulig å studere blåhvalens gener i en gulrot, og gulrotens gener i en blåhval. CRISPR/Cas9 lar oss klippe i arvematerialet ved helt spesifikke posisjoner bestemt av byggesteinene.

Dersom vi samtidig eksponerer gulroten for litt av arvematerialet til blåhvalen, kan vi i en reparasjonsprosess endre litt på arvematerialet til gulroten, slik at det ligner mer på blåhvalens. Da endrer vi på noen spesifikke gener, litt som når du installerer Word på Macen din.

CRISPR-teknikken er basert på et bakterielt immunforsvar. Ved angrep av virus, sprøyter viruset inn sitt arvemateriell i bakteriecella. Viruset overlever ved å integrere sitt DNA inn i vertcellens DNA. Slik dobles mengden virus, hver gang vertcellen deler seg.

Bakterien har et spesialdesignet protein som kan binde opp det virale arvematerialet, og deretter bruke dette til å scanne sitt eget DNA for mer viralt arvestoff. Det er rett og slett bakteriens versjon av et datavirusprogram.

"Én tråd av DNA, dikterer hvordan den neste må se ut."

Cas9-delen av teknikken, kan best ses på som en molekylær saks. Cas9 er det spesialdesignede proteinet. Det binder til et RNAmolekyl(les DNA) med spesifikke egenskaper i form av en kort sekvens.

Med Cas9 protein bundet til en DNA-tråd kan det søkes etter virus som i et virusprogram. DNA har den egenskapen at to komplementære tråder, eller sekvenser, kan komme sammen og danne det vi kaller en dobbel-heliks. Så hva menes med komplementær? Når to forskjellige biter utgjør en helhet, eller utfyller hverandre, sier vi at de er komplementære.

DNA består av fire enheter som vi kaller baser. Disse kan alle legges etter hverandre i en tråd, men for at to tråder skal binde til hverandre må de være komplementære. To og to av de fire basene hører sammen. Én tråd av DNA, dikterer hvordan den neste må se ut.

Virusprogrammet på PCen din søker igjennom maskinen etter kjente virus som den ødelegger. Hvis den oppdager dem, sletter, eller på et vis klipper programmet de små viruskodene i stykker. Akkurat som i bakteriecella.

På innsiden av cella

Se for deg innsiden av en celle i kroppen din. Alt av proteiner, fettsyrer, RNA og DNA som er cellens bestanddeler, beveger seg veldig hurtig der inne. Så fort går det, at kun mikrosekunder, er nok til at noe kan skje. Én milliondel av et sekund. Inne i cella handler det om stabilitet mellom bestanddelene. Se for deg stuen til familien Simpson med en veldig god sofa og en litt mindre god stol. Se så for deg denne stuen filmet i en uke, men avspilt i hurtigfilm.

Vi ser at den gode sofaen blir sittet i mye, og sier at sofaen har høy affinitet for hva som sitter i den. Homer, lat som han er, har høyere affinitet enn Marge. For at sakseproteinet skal utføre et klipp inne i cellen, må det være bundet til det den skal klippe med høy affinitet. Siden sofaen er mye mer komfortabel enn stolen, «klipper saksen sofaen», men ikke stolen.

ORDFORKLARINGER

CRISPR: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats

HDR: Homology Hirected Repair

NHEJ: Non-Homologous End-Joining

Når et virus sprøyter inn sitt DNA i en vertscelle er det flere kopier som entrer cella. Noen vil forekomme frittflytende, og andre inkorporert i vertcellens DNA. Sekvensen på trådene er likevel identiske, og har begge en komplementær bundet tråd.

Komplementære sekvenser tiltrekker hverandre, til tross for at de har bundet partnertråd. Særlig tiltrekker de hverandre dersom én mangler partnertråd. Det er det som skjer i CRISPR/Cas9 systemet.

Proteiner «river» bare det frittflytende DNAet i to, som en stige delt på langs. Det gjør at bakterien kan bruke dette til å finne det inkorporerte DNAet. Med én kopi uten partnertråd, foretas en scan velvillig. Den hurtige aktiviteten og høye affinitet gjør denne tiltrekningen mulig.

Nok et naturlig fenomen

Komponentene i CRISPR/Cas9-systemet finnes i bakterier, men de kjenner igjen DNA som finnes i alle organismer. Dette gjør teknikken universell og tillater modifisering av, nettopp gulrot og blåhval. Det er likevel aspekter ved teknikken som fortsatt gir dens mange brukere hodebry.

Det er en mektig teknikk for å gjøre presise endringer. Hvordan kan en saks gjøre presise endringer, eller rettere sagt gi en gulrot størrelsen til en blåhval? Det kan den ikke. Noe som drar oss videre til neste del av systemet.

Inne i cellene våre befinner det seg mekanismer for å hindre at feil i DNA sekvensene oppstår, når den doble heliksen brekker.

LES OGSÅ: Gener, hjerneceller og maur inspirerer utviklingen av kunstig intelligens: Naturen er full av algoritmer

Det ene systemet(NHEJ) fungerer ved å febrilsk sette sammen de to delene igjen. I farta kommer det gjerne med litt ekstra baser som av seg selv integreres inn i mellom de to delene.

Inne i cellekjernen der DNAet befinner seg, er det hele tiden mange enslige baser tilgjengelig. Baser trengs i de mange prosesser som forekommer der inne. Grunnet ustabilt miljø rundt enden på DNAet vårt, vil disse basene naturlig hoppe litt av og på. Akkurat som et perlekjede som ligger på et bord, men er klippet i to, perlene vil trille av de to nye endene forårsaket av kuttet.

«Inne i cellene våre befinner det seg mekanismer for å hindre at feil i DNA sekvensene oppstår…»

Det andre systemet(HDR) baserer seg på det at alle våre gener finnes i to kopier inne i cellene våre. Ved å bruke eksemplaret som ikke er ødelagt, som mal, kan en celle presist reparere skaden som har oppstått.

Det førstnevnte systemet(NHEJ) er alltid tilstede i cellen. Det andre(HDR) derimot, er begrenset til celler som deler seg. Og her starter hodebryet. HDR systemet er essensielt dersom man skal få gjort presise endringer.

Der NHEJ slumser med reparasjonen, fører det ofte til ødeleggelse av genet, det kan gjøres mange spennende forsøk der dette er målet. Hva om en derimot ønsker å gjøre en endring av genet, men uten å slå det helt ut? Altså unngå å ødelegge det. Da trenger man altså celler som deler seg.

Hvis cellene du jobber med deler seg, fungerer metoden som følger: Cellene har to like gen, og kan bruke den ene som mal. Sammen med Cas9 proteinet, kan vi sende med en kunstig mal(templat), som representerer den andre kopien av genet i cellen. Vi kan på smart vis lage en ekstra DNA tråd som er designet for å binde begge bitene som dannes etter et kutt.

Så lenge den er konstruert komplementær til de to bitene på endestykkene sine, kan den fungere som mal. Vi kan til og med fylle inn andre baser i midten av denne sekvensen, etter ønske. Slik kan ekstra blåhvalgener manipuleres inn i gulroten og visa versa!

Ikke helt i mål

Du lurer kanskje på om alle vitenskapsfolk jobber med blåhvaler og gulrøtter. Den store bruksverdien til denne metoden, som fortsatt bare benyttes av forskere, er stor. Men den handler nok i liten grad om blåhval og gulrot.

Genterapi er, et sjeldent ord, og et vanskelig konsept, men i høyeste grad en fremtidsvisjon. Det handler om å endre gener i en levende pasient. Det finnes mange terminale sykdommer som er fundert i genetikken, genterapi kan for disse menneskene bety et normalt liv! En gave, som nok for de færreste mennesker kan gripes.

Les også på Titan.uio.no:

Når datamaskinen blir sjåfør: Snart kan datamaskinen i bilen din være i stand til å ta deg fra A til B uten at du behøver å gjøre en eneste sving med rattet.

Nå kommer chatbotene: Microsoft og Facebook satser stort på chatboter. Blir disse robotene smarte nok til snakke med oss mennesker?

Andre MNKOM-tekster

MNKOM-bloggen

Kontakt:

Student Stian Eide Ingebrigtsen ved Institutt for biovitenskap.

Bloggen Singebrigtsen

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

 Zhanna Tairova (t.v.), Ketil Hylland, Agathe Bour

Muslinger spiser trolig plast framfor mat

Muslinger som lever på eller i bunnen, er omgitt av milliarder av partikler med organisk materiale på – mat de trenger for å leve. Likevel blir de påvirket av ørsmå biter av plast mellom de andre partiklene.