La ricerca della kryptonite in grado di fermare il CRISPR

Illustrazione concettuale di forbici di carta da roccia e DNA, CRISPR e Anti-crispr la signora Tech; dna cartaceo di: Jorge C. Lucero | Flickr; roccia e forbici: pixabay

Nel settembre 2016, Jennifer Doudna ha chiamato un nuovo collega di nome Kyle Watters nel suo ufficio. A quel punto, l'Università della California, Berkeley, biochimico era famoso come co-inventore di CRISPR. L'invenzione dello strumento veloce e versatile per modificare i geni l'aveva portata alla notorietà globale e a una notevole ricchezza. È stata la fondatrice di diverse società di avvio e aveva raccolto milioni in premi per la scienza.

Inquietante, però, come ha fatto Doudna raccontato , fu perseguitata da un sogno in cui apparve Adolf Hitler, con in mano carta e penna, che richiedeva una copia della ricetta CRISPR. Quale orribile scopo potrebbe avere Hitler? Doudna, nelle sue rivisitazioni del suo sogno, non ha detto.

Ora la domanda di Doudna era: Watters vorrebbe lavorare su un modo per fermarlo? Ferma CRISPR.

CRISPR si trova all'interno dei batteri. È una difesa vecchia di miliardi di anni contro i virus predatori che individuano il loro DNA e usano una proteina simile a una forbice per sminuzzarlo. Doudna ha svolto un ruolo chiave nel trasformare la scoperta in un rivoluzionario strumento di editing genetico che è stato adottato in tutto il mondo, spingendo un'ondata di nuova ricerca e potenziali cure.

Ma se gli scienziati imparano a fornire editor di geni all'interno dei corpi delle persone, cosa può impedire a un pazzo, un terrorista o uno stato di utilizzare il CRISPR per causare danni? Le persone immaginano attacchi personalizzati che colpirebbero solo determinati gruppi etnici o super soldati modificati per non provare dolore. Doudna conosceva bene il dilemma. Nel suo libro Una crepa nella creazione , ha scritto che temeva che l'editing genetico potesse attirare l'attenzione del mondo, come ha fatto l'energia atomica, in un fungo atomico. Potremmo io e altri scienziati preoccupati salvare CRISPR da se stesso... prima che si verificasse un cataclisma?

Ora avrebbe una possibilità. All'inizio del 2016, le agenzie di intelligence statunitensi avevano designato l'editing genetico come una potenziale arma di distruzione di massa. Quel settembre, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) era intervenuta, lanciando un appello per nuovi modi per controllare o invertire gli effetti della tecnologia di modifica genetica. Il programma, chiamato Geni sicuri , finirebbe con un budget di oltre 65 milioni di dollari, rendendolo una delle maggiori fonti di denaro per la ricerca CRISPR, a parte le startup biotecnologiche che sviluppano nuovi trattamenti genetici.

Un problema, secondo la DARPA, era la mancanza di qualsiasi contromisura, pulsante di annullamento o antidoto di facile utilizzo per CRISPR. E più l'editing genetico diventa potente, più potremmo averne bisogno, in caso di un incidente di laboratorio, o peggio. Come ha affermato l'UC Berkeley in un 2017 comunicato stampa dopo che Doudna, con l'aiuto di Watters, ha rivendicato parte del grande contratto DARPA, l'università intendeva costruire strumenti per contrastare le minacce del bioterrorismo, comprese le armi che impiegano lo stesso CRISPR.

Armi CRISPR? Lasceremo alla tua immaginazione esattamente come potrebbe essere. Ciò che è sicuro dire, tuttavia, è che la DARPA ha chiesto a Doudna e ad altri di iniziare a esaminare trattamenti profilattici o persino pillole che potresti assumere per interrompere l'editing genetico, proprio come puoi ingoiare antibiotici se hai ricevuto una lettera di antrace nel posta. Gli scienziati del progetto di Doudna affermano che dovrebbero iniziare i test iniziali sui topi per vedere se i roditori possono essere resi immuni agli editori di CRISPR.

Possiamo spegnere il CRISPR? chiede Joseph S. Schoeniger, che guida un braccio dello sforzo di difesa presso i Sandia National Laboratories, a Livermore, in California. Questo è ciò che stiamo guardando. Il concetto di base è che questa tecnologia sta arrivando, [quindi] non sarebbe bello avere un interruttore 'off'.

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

Anti-CRISPR

Quando Doudna ha redatto la sua proposta alla DARPA, altri scienziati avevano già un grande indizio su come fermare il CRISPR. Nell'antica lotta tra batteri e virus chiamati fagi che li infettano, i fagi avevano sviluppato i propri antidoti al CRISPR. In effetti, è stato scoperto che i loro genomi ospitano la capacità di produrre quella che è essenzialmente la kryptonite CRISPR: piccole proteine ​​squisitamente sintonizzate dall'evoluzione per disabilitare lo strumento di modifica genetica. Gli scienziati chiamano queste molecole anti-CRISPR.

I primi anti-CRISPR sono stati scoperti nel 2013 da uno studente dell'Università di Toronto di nome Joseph Bondy-Denomy. È stata una fortuna. Ci siamo imbattuti nel fatto che alcuni fagi sembravano essere resistenti al CRISPR. Quando mettiamo il fago in una cellula, i batteri non sono in grado di proteggersi, afferma Bondy-Denomy, ora professore all'Università della California, a San Francisco. Si è rapidamente concentrato su uno dei circa 50 geni del virus come motivo. Abbiamo pensato, wow, forse questo sta disattivando CRISPR.

Il numero di laboratori che studiano tali difese è inferiore al numero di laboratori che lavorano con CRISPR. Ma l'anti-CRISPR sta diventando un campo in piena espansione a sé stante. Sono già state trovate più di 40 proteine ​​anti-CRISPR, molte dal laboratorio di Doudna. Altre squadre stanno avendo successo nell'individuare sostanze chimiche convenzionali che possono inibire anche il CRISPR. Oggi, Amit Choudhary della Harvard Medical School, a Boston, anche con il finanziamento della DARPA, segnalato aveva trovato due farmaci che impediscono l'editing genetico quando mescolati con cellule umane. Il segno distintivo di ogni potente tecnologia è il controllo, afferma Choudhary. È così semplice.

Ricercatori come Bondy-Denomy ritengono che gli anti-CRISPR potrebbero avere un ruolo nel migliorare i futuri trattamenti di modifica genetica, fornendo ai ricercatori un controllo più preciso. Ad esempio, una squadra in Germania ha recentemente mostrato se combinati CRISPR e anti-CRISPR , potrebbero creare un editor che cambierà il DNA solo nelle cellule del fegato, non nei neuroni o nei muscoli.

Un'altra applicazione allo studio è se l'anti-CRISPR possa creare una protezione contro le spinte geniche. La Bill & Melinda Gates Foundation sostiene lo sviluppo di uno strumento CRISPR che si diffonderà attraverso le zanzare selvatiche, causando il crollo delle loro popolazioni, con l'idea di prevenire la malaria. Altri vogliono sviluppare tali gene drive nei topi, in modo che possano sradicare i roditori dalle isole senza usare veleno.

Ma cosa accadrebbe se questi esperimenti andassero in tilt e portassero all'estinzione? I ricercatori pensano di poter creare organismi con anti-CRISPR programmato nei loro genomi in modo che siano immuni. In una prima dimostrazione di principio, scienziati del Kansas l'anno scorso hanno ingegnerizzato cellule di lievito con anti-CRISPR per resistere a un gene drive. Se un laboratorio nordcoreano si rivolge a te con un gene drive per spazzare via un raccolto economicamente importante, potresti avere un raccolto transgenico che [è resistente]. Questo è lo scenario del tavolo da disegno, afferma Erik Sontheimer della University of Massachusetts Medical School.

Una biosorpresa

L'avvento dello strumento CRISPR a partire dalla metà del 2012 ha sorpreso gli scienziati. In sostanza, da un giorno all'altro, metodi di ingegneria genetica maldestri sono stati sostituiti da un mezzo economico, versatile e programmabile per cambiare il DNA all'interno di qualsiasi essere vivente. I meteorologi il cui compito era quello di anticipare nuovi pericoli hanno completamente mancato il CRISPR, afferma Renée Wegrzyn , lo scienziato della biodifesa che gestisce il programma della DARPA. L'umile incapacità di vedere il futuro si è rapidamente trasformata in una questione urgente e critica per la sicurezza nazionale.

Questo perché ricercatori, medici e startup sostenuti da venture capitalist hanno iniziato una corsa per imparare a distribuire CRISPR all'interno di piante, animali e esseri umani, usando virus, iniezioni, nanoparticelle o scosse elettriche. E meglio ci riusciranno, più realistica potrebbe diventare una sorta di nuova minaccia biologica.

Nel 2015, Doudna aveva anche iniziato a dubitare di come CRISPR venisse utilizzato in contesti di ricerca di laboratorio più di routine. Alcuni degli esperimenti sembravano pericolosi: e se uno studente laureato fosse ferito? Stiamo spingendo queste tecnologie nel mondo e non le stiamo accompagnando con le misure di sicurezza che dovrebbero essere in atto, ha detto Wegrzyn a una riunione del Fondazione Long Now , nel 2017, a San Francisco. Ho davvero iniziato a sentire questo senso di urgenza che qualcuno avesse bisogno di fare qualcosa al riguardo.

Nel suo intervento, Wegrzyn ha affermato che il pericolo di CRISPR era evidente dal modo in cui gli scienziati stavano già utilizzando l'editing genetico per far ammalare i topi tagliando geni importanti. Non penso che tu debba essere un esperto di biosicurezza per riconoscere che c'è bisogno di un controllo quando guardi uno strumento che può sia curare che causare malattie, ha detto al raduno della California. Se dobbiamo chiudere immediatamente un editor di geni, semplicemente non sappiamo come farlo.

Non c'è ancora accordo su quanto pericoloso CRISPR possa essere nelle mani sbagliate. Gli esercizi della squadra rossa sponsorizzati dalla Central Intelligence Agency nell'estate del 2016, in cui a un gruppo di analisti chiamato Jasons è stato chiesto di inventare le loro peggiori idee, non hanno risolto la questione. Successivamente, le Accademie Nazionali di Scienze, Ingegneria e Medicina, su richiesta del Dipartimento della Difesa, hanno prodotto un'intera classifica delle possibili minacce della biologia sintetica, mettendo le armi CRISPR al centro del gruppo. I militari hanno affermato di non aver visto alcun pericolo imminente per i soldati.

Doudna concorda sul fatto che i pericoli di CRISPR non dovrebbero essere esagerati. Ricevo spesso queste domande sui sistemi CRISPR e sugli usi nefasti, e la mia sensazione è che non sono più o meno preoccupato per CRISPR che per altre cose. Qualcuno potrebbe sintetizzare il virus del vaiolo, dice. Allo stesso modo, mentre la sua ricerca può portare a un eventuale antidoto per l'editing genetico, il lavoro del suo laboratorio con gli anti-CRISPR si occupa principalmente di questioni biologiche fondamentali. Sono ancora al primo passo, dice. Come funzionano?

Altri, invece, temono che i rischi siano già evidenti e che gli antidoti non possano arrivare abbastanza presto. Ad esempio, alcuni scienziati hanno cercato di impedire la discussione pubblica di specifici studi CRISPR, o addirittura di eliminarne la menzione da Internet, presumibilmente per concedere agli scienziati più tempo per sviluppare contromisure. L'atteggiamento generale prevalente non è quello di dare alle persone il carburante per gli incubi mentre siamo attivamente alla ricerca di risposte. C'è sempre una preoccupazione per un inizio di freak-out, afferma Watters, l'ex collaboratore di Doudna, che nel 2018 ha scritto una recensione di Implicazioni dell'editing genetico per la biosicurezza .

Un video che mostra CRISPR che modifica il DNA in tempo reale Osamu Nureki, Nature Communications

Difesa CRISPR

Quest'anno, nell'ambito del progetto DARPA di Doudna, team di scienziati hanno in programma di iniziare i loro primi esperimenti sui topi per determinare se è possibile proteggerli dal CRISPR. Un laboratorio coinvolto nel lavoro è presso i Sandia National Laboratories, che impiegheranno topi preparati per l'editing perché progettati per nascere con le forbici molecolari di CRISPR, una proteina chiamata Cas9, in ogni cellula.

Schoeniger, che guida lo sforzo di Sandia, dice che presto il suo laboratorio istruirà i topi a modificarsi, ma darà loro anche un'iniezione di molecole anti-CRISPR, per vedere se il processo è bloccato. Anti-CRISPR funziona bene in natura e stiamo cercando di vedere se funziona bene negli animali, dice.

Schoeniger ritiene che vi sia un rischio significativo di esposizione accidentale agli agenti CRISPR. Mentre una grande industria salta intorno allo strumento di editing, CRISPR viene formulato in terapie geniche, iniezioni, unguenti e cibo, il che aumenta la possibilità di un incidente di laboratorio. È più probabile che anche un programma segreto di armi biologiche rilasci accidentalmente un germe di design piuttosto che lanciare un attacco. Poiché le persone lo usano in quantità sempre maggiori, c'è una maggiore possibilità che le persone entrino in contatto, vengano pugnalate o spruzzate, dice. E se mi spruzzassero un mutageno negli occhi, sarebbe bello fermarlo.

Anche il lavoro su un antidoto potrebbe essere utile proprio come le pubbliche relazioni. Potrebbe, come minimo, reprimere l'accessibilità mentale a una personalità maligna, dice Schoeniger. Se riesci a spegnerlo, forse non si daranno fastidio. Da un punto di vista psicologico, è bello avere un pulsante 'off'. È bello posizionare quella tecnologia nella società.

Schoeniger non si illude che un antidoto al CRISPR farà sparire le minacce. In effetti, il problema della sicurezza sta crescendo, poiché i laboratori migliorano lo strumento e ne inventano di correlati, ciascuno con implicazioni diverse per i biodifensori. Gli scienziati possono sentirsi sconcertati dall'incredibile velocità con cui l'editing genetico e più in generale la biologia sintetica sta accelerando e dal modo in cui le informazioni si stanno diffondendo online.

Osserviamo il fronte del rischio complessivo della tecnologia, come continua ad evolversi e quanto sia difficile tenerne il controllo e quanto velocemente le persone scartano gli scenari, ed è difficile affrontare razionalmente quel rischio, afferma Schoeniger . Nel frattempo, dice, imparare a bloccare CRISPR, nella sua forma classica e più semplice, sembra un buon punto di partenza. Sembra ovvio che vorremmo modulare la tecnologia, quindi facciamolo mentre cerchiamo di definire le priorità, afferma Schoeniger. In una certa misura, è un pasticcio; la nuova tecnologia sta esplodendo così velocemente.

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