Die Suche nach dem Kryptonit, das CRISPR stoppen kann

Konzeptionelle Darstellung von Stein-Papier-Schere und DNA, CRISPR und Anti-Crispr Frau Tech; Papier-DNA von: Jorge C. Lucero | flickr; Schere und Stein: pixabay

Im September 2016 rief Jennifer Doudna einen neuen Kollegen namens Kyle Watters in ihr Büro. Bis dahin war der Biochemiker der University of California, Berkeley, als Miterfinder von CRISPR bekannt. Die Erfindung des schnellen und vielseitigen Werkzeugs zur Bearbeitung von Genen hatte ihr weltweite Berühmtheit und beträchtlichen Reichtum eingebracht. Sie war Gründerin mehrerer Start-ups und hatte Millionen an Wissenschaftspreisgeldern eingesammelt.

Ominös jedoch, wie Doudna es getan hat erzählt , wurde sie von einem Traum heimgesucht, in dem Adolf Hitler mit Stift und Papier erschien und um eine Kopie des CRISPR-Rezepts bat. Welche schreckliche Absicht könnte Hitler haben? Doudna sagte in ihren Nacherzählungen ihres Traums nichts.

Nun war Doudnas Frage, würde Watters gerne daran arbeiten, das zu stoppen? Stoppen Sie CRISPR.

CRISPR kommt in Bakterien vor. Es ist eine Milliarden Jahre alte Abwehr gegen plündernde Viren, die ihre DNA erkennt und ein scherenähnliches Protein verwendet, um sie zu zerhacken. Doudna spielte eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung des Fundes in ein revolutionäres Gen-Editing-Tool, das weltweit eingesetzt wird und eine Welle von Gen-Editing auslöst neue Forschung und potenzielle Heilmittel.

Aber wenn Wissenschaftler lernen, Gen-Editoren in den Körper von Menschen einzubringen, was hindert einen Verrückten, Terroristen oder Staat daran, CRISPR einzusetzen, um Schaden anzurichten? Die Leute stellen sich personalisierte Angriffe vor, die nur bestimmte ethnische Gruppen treffen würden, oder Supersoldaten, die bearbeitet werden, um keinen Schmerz zu empfinden. Doudna war mit dem Dilemma bestens vertraut. In ihrem Buch Ein Riss in der Schöpfung , schrieb sie, dass sie befürchte, dass die Genbearbeitung wie die Atomkraft in einer Pilzwolke in die Aufmerksamkeit der Welt rücken könnte. Könnten ich und andere betroffene Wissenschaftler CRISPR vor sich selbst retten … bevor es zu einer Katastrophe kam?

Jetzt hätte sie eine Chance. Anfang 2016 hatten die US-Geheimdienste die Genbearbeitung als potenzielle Massenvernichtungswaffe bezeichnet. Im September dieses Jahres war die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) eingesprungen und forderte neue Wege, um die Auswirkungen der Gen-Editing-Technologie zu kontrollieren oder umzukehren. Das Programm, genannt Sichere Gene , würde am Ende über ein Budget von mehr als 65 Millionen US-Dollar verfügen, was es neben Biotech-Startups, die neue genetische Behandlungen entwickeln, zu einer der größten Geldquellen für die CRISPR-Forschung macht.

Ein Problem, wie DARPA es sah, war das Fehlen einer einfach anzuwendenden Gegenmaßnahme, eines Rückgängig-Knopfes oder eines Gegenmittels für CRISPR. Und je leistungsfähiger die Genbearbeitung wird, desto mehr brauchen wir vielleicht eine – im Falle eines Laborunfalls oder schlimmer. Wie UC Berkeley es 2017 ausdrückte Pressemitteilung Nachdem Doudna mit Watters Hilfe einen Teil des großen DARPA-Vertrags beansprucht hatte, beabsichtigte die Universität, Werkzeuge zur Abwehr bioterroristischer Bedrohungen zu bauen, einschließlich Waffen, die CRISPR selbst einsetzen.

CRISPR-Waffen? Wie genau eine aussehen könnte, überlassen wir Ihrer Fantasie. Was man jedoch mit Sicherheit sagen kann, ist, dass DARPA Doudna und andere gebeten hat, sich mit prophylaktischen Behandlungen oder sogar Pillen zu befassen, die man nehmen könnte, um die Genbearbeitung zu stoppen, so wie man Antibiotika schlucken kann, wenn man einen Anthrax-Brief bekommen hat Post. Wissenschaftler im Rahmen von Doudnas Projekt sagen, dass sie mit ersten Tests an Mäusen beginnen werden, um zu sehen, ob die Nagetiere gegen CRISPR-Editoren immun gemacht werden können.

Können wir CRISPR abschalten? fragt Joseph S. Schoeniger, der einen Teil der Verteidigungsbemühungen bei den Sandia National Laboratories in Livermore, Kalifornien, leitet. Das sehen wir uns an. Das Grundkonzept ist, dass diese Technologie kommt, also wäre es nicht schön, einen „Aus“-Schalter zu haben.

Jennifer Doudna Alexander Heinl/picture-alliance/dpa/AP Bilder

Anti-CRISPR

Als Doudna ihren Vorschlag an DARPA verfasste, hatten andere Wissenschaftler bereits einen großen Hinweis darauf, wie CRISPR gestoppt werden kann. Im uralten Kampf zwischen Bakterien und den Viren, die Phagen genannt werden, die sie infizieren, hatten die Phagen ihre eigenen Gegenmittel gegen CRISPR entwickelt. Tatsächlich wurde festgestellt, dass ihre Genome die Fähigkeit beherbergen, das zu produzieren, was im Wesentlichen CRISPR-Kryptonit ist – kleine Proteine, die von der Evolution exquisit abgestimmt wurden, um das Werkzeug zur Genbearbeitung zu deaktivieren. Wissenschaftler nennen diese Moleküle Anti-CRISPRs.

Die ersten Anti-CRISPRs wurden 2013 von einem Studenten der University of Toronto namens Joseph Bondy-Denomy entdeckt. Es war Zufall. Dabei stießen wir auf die Tatsache, dass einige Phagen resistent gegen CRISPR zu sein schienen. Als wir den Phagen in eine Zelle einführten, konnte sich das Bakterium nicht selbst schützen, sagt Bondy-Denomy, jetzt Professor an der University of California in San Francisco. Als Grund nannte er schnell eines der rund 50 Gene des Virus. Wir dachten, wow, vielleicht schaltet das CRISPR aus.

Die Anzahl der Labore, die solche Abwehrmechanismen untersuchen, ist kleiner als die Anzahl, die mit CRISPR arbeitet. Aber Anti-CRISPR wird selbst zu einem boomenden Feld. Mehr als 40 Anti-CRISPR-Proteine ​​wurden bereits gefunden, viele von Doudnas Labor. Andere Teams haben bereits erste Erfolge beim Auffinden herkömmlicher Chemikalien, die CRISPR ebenfalls hemmen können. Heute, Amit Choudhary von der Harvard Medical School in Boston, ebenfalls mit Finanzierung von DARPA, gemeldet Er hatte zwei Medikamente gefunden, die Gen-Editing verhindern, wenn sie mit menschlichen Zellen gemischt werden. Das Markenzeichen jeder leistungsstarken Technologie ist Kontrolle, sagt Choudhary. So einfach ist das.

Forscher wie Bondy-Denomy glauben, dass Anti-CRISPRs eine Rolle bei der Verbesserung zukünftiger Gen-Editing-Behandlungen spielen könnten, indem sie den Forschern eine präzisere Kontrolle geben. Beispielsweise hat ein Team in Deutschland kürzlich gezeigt, ob sie es können kombiniert CRISPR und Anti-CRISPR , könnten sie einen Editor erstellen, der die DNA nur in Leberzellen verändert, nicht in Neuronen oder Muskeln.

Eine weitere untersuchte Anwendung ist die Frage, ob Anti-CRISPR einen Schutz gegen Gene Drives schaffen könnte. Die Bill & Melinda Gates Foundation unterstützt die Entwicklung eines CRISPR-Instruments, das sich durch wilde Moskitos ausbreiten und ihre Populationen zum Absturz bringen wird, mit der Idee, Malaria zu verhindern. Andere wollen solche Gene Drives in Mäusen entwickeln, damit sie die Nagetiere von Inseln ausrotten können, ohne Gift zu verwenden.

Aber was, wenn diese Experimente drunter und drüber gehen und zum Aussterben führen? Forscher glauben, dass sie Organismen schaffen können, in deren Genom Anti-CRISPR programmiert ist, damit sie immun sind. In einem ersten Grundsatzbeweis Wissenschaftler in Kansas letztes Jahr manipulierte Hefezellen mit Anti-CRISPR, um einem Gene Drive zu widerstehen. Wenn ein nordkoreanisches Labor mit einem Gene Drive auf Sie zukommt, um eine wirtschaftlich wichtige Nutzpflanze auszulöschen, könnten Sie eine transgene Nutzpflanze haben, die [resistent ist]. Das ist das Reißbrettszenario, sagt Erik Sontheimer von der University of Massachusetts Medical School.

Eine Bioüberraschung

Die Einführung des CRISPR-Tools ab Mitte 2012 überraschte Wissenschaftler. Im Wesentlichen über Nacht wurden ungeschickte Methoden der Gentechnik durch ein billiges, vielseitiges und programmierbares Mittel zur Veränderung der DNA in jedem Lebewesen ersetzt. Prognostiker, deren Aufgabe es war, neue Gefahren vorherzusehen, haben CRISPR völlig verfehlt, sagt er Renee Wegrzyn , der Bioverteidigungswissenschaftler, der das DARPA-Programm leitet. Das demütigende Versäumnis, die Zukunft zu sehen, verwandelte sich schnell in ein kritisches, dringendes Problem für die nationale Sicherheit.

Das liegt daran, dass Forscher, Ärzte und Start-ups, die von Risikokapitalgebern unterstützt werden, einen Wettlauf begannen, um zu lernen, wie man CRISPR in Pflanzen, Tieren und Menschen mithilfe von Viren, Injektionen, Nanopartikeln oder Elektroschocks einsetzt. Und je besser sie darin wurden, desto realistischer könnte eine Art neuartiger Biobedrohung werden.

Bis 2015 hatte Doudna auch begonnen, sich zu fragen, wie CRISPR in eher routinemäßigen Laborforschungsumgebungen verwendet wurde. Einige der Experimente sahen gefährlich aus – was, wenn ein Doktorand verletzt wurde? Wir treiben diese Technologien in die Welt hinaus und begleiten sie nicht mit den Sicherheitsmaßnahmen, die vorhanden sein sollten, sagte Wegrzyn vor einer Versammlung Long Now-Stiftung , im Jahr 2017, in San Francisco. Ich begann wirklich dieses Gefühl der Dringlichkeit zu spüren, dass jemand etwas dagegen unternehmen musste.

In ihrem Vortrag sagte Wegrzyn, die Gefahr von CRISPR sei offensichtlich, da Wissenschaftler bereits die Genbearbeitung einsetzten, um Mäuse krank zu machen, indem sie wichtige Gene abschnitten. Ich glaube nicht, dass man ein Experte für Biosicherheit sein muss, um zu erkennen, dass eine Überprüfung erforderlich ist, wenn man sich ein Instrument ansieht, das Krankheiten sowohl heilen als auch verursachen kann, sagte sie der Versammlung in Kalifornien. Wenn wir einen Gen-Editor sofort abschalten müssen, wissen wir einfach nicht, wie wir das machen sollen.

Es gibt immer noch keine Einigung darüber, wie gefährlich CRISPR in den falschen Händen sein könnte. Von der Central Intelligence Agency im Sommer 2016 gesponserte Red-Team-Übungen, bei denen eine Gruppe von Analysten namens Jasons gebeten wurde, sich ihre schlimmsten Ideen auszudenken, konnten die Frage nicht klären. Später erstellten die National Academies of Sciences, Engineering and Medicine auf Anfrage des Verteidigungsministeriums eine vollständige Rangliste möglicher Bedrohungen durch die synthetische Biologie, wobei CRISPR-Waffen in die Mitte des Feldes gestellt wurden. Das Militär sagte, es sehe keine unmittelbare Gefahr für Soldaten.

Doudna stimmt zu, dass die Gefahren von CRISPR nicht übertrieben werden sollten. Ich bekomme diese Fragen häufig zu CRISPR-Systemen und schändlichen Verwendungen, und ich habe das Gefühl, dass ich mir über CRISPR nicht mehr oder weniger Sorgen mache als über andere Dinge. Jemand könnte das Pockenvirus synthetisieren, sagt sie. Während ihre Forschung möglicherweise zu einem möglichen Gegenmittel zur Genbearbeitung führen könnte, befasst sich die Arbeit ihres Labors mit Anti-CRISPRs hauptsächlich mit grundlegenden biologischen Fragen. Ich bin immer noch bei Schritt eins, sagt sie. Wie funktionieren diese?

Andere befürchten jedoch, dass die Risiken bereits offensichtlich sind und dass Gegenmittel nicht früh genug kommen können. Beispielsweise haben einige Wissenschaftler versucht, die öffentliche Diskussion bestimmter CRISPR-Studien zu verhindern oder sie sogar aus dem Internet zu löschen, vermutlich um den Wissenschaftlern mehr Zeit für die Entwicklung von Gegenmaßnahmen zu geben. Die allgemein vorherrschende Einstellung ist, den Menschen keinen Alptraum zu geben, während wir aktiv nach Antworten suchen. Es besteht immer die Sorge vor einem frühen Ausrasten, sagt Doudnas ehemaliger Mitarbeiter Watters, der 2018 eine Rezension zu verfasst hat Auswirkungen der Genbearbeitung auf die Biosicherheit .

Ein Video, das die CRISPR-Bearbeitung von DNA in Echtzeit zeigt Osamu Nureki, Nature Communications

CRISPR-Verteidigung

In diesem Jahr planen Wissenschaftlerteams im Rahmen des DARPA-Projekts von Doudna, mit ihren ersten Experimenten – an Mäusen – zu beginnen, um festzustellen, ob es möglich ist, sie vor CRISPR zu schützen. Ein an der Arbeit beteiligtes Labor befindet sich in den Sandia National Laboratories, die Mäuse einsetzen werden, die für die Bearbeitung vorbereitet sind, weil sie so konstruiert sind, dass sie mit CRISPRs molekularer Schere, einem Protein namens Cas9, in jeder Zelle geboren werden.

Schoeniger, der die Sandia-Bemühungen leitet, sagt, sein Labor werde die Mäuse bald anweisen, sich selbst zu bearbeiten, ihnen aber auch eine Spritze mit Anti-CRISPR-Molekülen geben, um zu sehen, ob der Prozess blockiert ist. Anti-CRISPR funktioniert gut in der Natur, und wir versuchen zu sehen, ob es bei Tieren gut funktioniert, sagt er.

Schoeniger glaubt, dass ein erhebliches Risiko einer versehentlichen Exposition gegenüber CRISPR-Wirkstoffen besteht. Während eine große Industrie um das Bearbeitungstool herum aufspringt, wird CRISPR in Gentherapien, Injektionen, Salben und Lebensmitteln formuliert, was die Wahrscheinlichkeit eines Laborunfalls erhöht. Selbst ein geheimes Biowaffenprogramm setzt eher zufällig einen Designerkeim frei als einen Angriff zu starten. Da die Menschen dies in immer größeren Mengen verwenden, besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass Menschen in Kontakt kommen, erstochen oder besprüht werden, sagt er. Und wenn mir ein Mutagen in die Augen gesprüht wird, wäre es schön, es zu stoppen.

Die Arbeit an einem Gegengift könnte ebenso hilfreich sein wie die Öffentlichkeitsarbeit. Es könnte zumindest die geistige Zugänglichkeit zu einer bösartigen Persönlichkeit unterdrücken, sagt Schoeniger. Wenn Sie es ausschalten können, werden sie sich vielleicht nicht darum kümmern. Aus psychologischer Sicht ist es schön, einen „Aus“-Knopf zu haben. Es ist schön, diese Technologie in der Gesellschaft zu positionieren.

Schoeniger gibt sich nicht der Illusion hin, dass ein Gegenmittel gegen CRISPR die Bedrohungen verschwinden lassen wird. Tatsächlich wächst das Sicherheitsproblem, da Labors das Tool verbessern und verwandte Tools erfinden, die jeweils unterschiedliche Auswirkungen auf Bioverteidiger haben. Wissenschaftler können verblüfft sein von der enormen Geschwindigkeit, mit der sich die Genbearbeitung und die synthetische Biologie im weiteren Sinne beschleunigen, und wie sich Informationen online verbreiten.

Wir betrachten die Gesamtrisikofront der Technologie, wie sie sich weiterentwickelt und wie schwierig es ist, den Überblick zu behalten, und wie schnell Menschen Szenarien durcheinander bringen, und es ist schwierig, dieses Risiko rational anzugehen, sagt Schoeniger . In der Zwischenzeit, sagt er, scheint es ein guter Anfang zu sein, zu lernen, wie man CRISPR in seiner klassischen, einfachsten Form blockiert. Es scheint offensichtlich, dass wir die Technologie modulieren möchten, also tun wir das, während wir versuchen, die Prioritäten zu sortieren, sagt Schoeniger. Bis zu einem gewissen Grad ist es ein Durcheinander; neue Technologie explodiert so schnell.

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