In den letzten Jahren hat CRISPR Schlagzeilen gemacht. Experten sagen voraus, dass diese neue Technologie unseren Planeten verändern und die Gesellschaften, in denen wir leben, und die Organismen, mit denen wir leben, revolutionieren wird. Im Vergleich zu anderen für die Gentechnik verwendeten Werkzeugen ist CRISPR "KRISPER" (auch bekannt unter seinem eher technischen Namen CRISPR-Cas9) präzise, billig, einfach zu verwenden und bemerkenswert effektiv.
Anfang der 90er Jahre entdeckt und erstmals sieben Jahre später in biochemischen Experimenten eingesetzt, hat sich CRISPR schnell zum beliebtesten Tool unter Forschern auf Gebieten wie der Humanbiologie, Landwirtschaft und Mikro- bzw. Molekularbiologie entwickelt.
Hier mein Blog über die Technologie: https://www.fischundfleisch.com/rhacodactylus/was-ist-crispr-cas9-23468
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Wissenschaftler sind noch in der Anfangsphase und wollen herauszufinden, wie wir CRISPR nutzen können, um die Welt zum Besseren zu verändern. Natürlich bringt die Macht, DNA zu verändern - der Quellcode des Lebens selbst -, viele ethische Fragen und Bedenken mit sich. Vor diesem Hintergrund liste ich hier ein paar der spannendsten Anwendungen für diese revolutionäre Technik und die Hürden auf, die diese Technologien (noch) daran hindern, ihr volles Potenzial auszuschöpfen.
1. CRISPR könnte genetische Fehler korrigieren, die Krankheiten verursachen.
Hypertrophe Kardiomyopathie (HCM) ist eine Herzerkrankung, die weltweit etwa 1 von 500 Menschen betrifft. Die Symptome sind schmerzhaft und oft tödlich. Mutationen in einer Reihe von dominanten Genen versteifen das Herzgewebe, was zu Brustschmerzen, Schwäche und in schweren Fällen zu einem plötzlichen Herzstillstand führen kann. Dank der jüngsten medizinischen Fortschritte entspricht die durchschnittliche Lebenserwartung von Menschen mit HCM in etwa jener der gesunden Allgemeinbevölkerung, aber der Zustand kann zu lebensbedrohlichen Situationen führen, wenn die Krankheit nicht behandelt werden.
Aber irgendwann werden wir in der Lage sein, „Gene-Editing“ einzusetzen, um diese Krankheit für immer zu heilen.
Im Sommer 2017 entfernten Wissenschaftler der Oregon Health and Science University mit CRISPR eines dieser defekten Gene in einer Reihe lebensfähiger menschlicher Embryonen. Die Ergebnisse waren vielversprechend: Von den 54 Embryonen, denen die CRISPR-Cas9-Maschinerie 18 Stunden nach der Befruchtung injiziert wurde, zeigten 36 keine Mutationen im Gen (praktisch keine Chance, die Krankheit zu entwickeln) und 13 waren teilweise frei von Mutationen (mit eine 50-prozentige Chance, HCM zu erben).
"Mit dieser Technik ist es möglich, die Belastung durch diese vererbbare Krankheit auf die Familie und letztendlich auf die menschliche Bevölkerung zu reduzieren", erklärt Shoukhrat Mitalipow, Autor der Studie und Forscher an der Oregon Health and Science University. Die Mutation in den frühesten Stadien der Embryonalentwicklung zu erfassen, würde die Notwendigkeit einer späteren Behandlung im Leben eines Patienten reduzieren oder eliminieren.
Während einige Stammzellforscher nachfragten, ob diese Dutzende von Mutationen tatsächlich behoben wurden, halfen diese Ergebnisse den Wissenschaftlern, die Wirksamkeit und MEchanismen von CRISPR besser zu verstehen. Darüber hinaus hat einer der Ko-Autoren der HCM-Studie bereits Interesse bekundet, dieselbe Technik auf spezifische Genmutationen (BRCA1 und 2) anzuwenden, die das Brustkrebsrisiko signifikant erhöhen.
Wissenschaftler sind sich jedoch nicht im Klaren, welche unvorhersehbaren Folgen die Veränderung des genetischen Codes in menschlichen Embryonen haben könnte. Was wäre, wenn CRISPR an der falschen Stelle wirkt und unbeabsichtigt gesunde Gene verändert oder entfernt? Wie könnte das den Patienten beeinflussen?
In einigen Teilen der Welt, etwa in China, dürfen Wissenschaftler mit menschlichen Embryonen experimentieren. Dies ist jedoch in den Vereinigten Staaten, Kanada oder in der EU nicht der Fall.
In den USA erwägt die Food and Drug Administration (FDA) derzeit nicht, öffentliche Gelder für Studien zu verwenden, die Gene verändern, die vererbt werden können (die Embryonen in der Studie der Oregon-Forscher waren nicht zur Implantation bestimmt und die Studie wurde privat finanziert). In Kanada ist die Bearbeitung von Genen, die an zukünftige Generationen weitergegeben werden können, eine Straftat mit einer Höchststrafe von zehn Jahren Gefängnis. In Großbritannien gab die Human Fertilisation and Embryology Authority 2016 einem Team von Wissenschaftlern in London die Lizenz, Gene in menschlichen Embryonen zu bearbeiten. Wissenschaftler in Großbritannien hoffen, dass damit ein Präzedenzfall entsteht und die Tür für zukünftige Anwendungen offen gehalten werden kann.
2. CRISPR kann Mikroorganismen beseitigen, die Krankheiten auslösen
Obwohl aktuelle HIV-Therapien die Infektion von einem tödlichen Verlauf in einen lebenswerten Gesundheitszustand entwickelt haben, suchen Wissenschaftler noch immer nach einem Heilmittel. Das könnte sich mit CRISPR ändern. Im Jahr 2017 hat ein Team chinesischer Forscher erfolgreich die HIV-Resistenz bei Mäusen verstärkt, indem sie eine Mutation eines Gens replizierten, das das Eindringen des Virus in die Zellen effektiv verhinderte. Bis jetzt führen Wissenschaftler diese Experimente nur bei Labortieren durch, aber es gibt gute Gründe zu der Annahme, dass die gleichen Methoden beim Menschen funktionieren könnten. Die Mutation, die HIV-Resistenz fördert, kommt natürlicherweise bei einem kleinen Prozentsatz von Menschen vor. Durch die Verwendung von CRISPR zur Einführung der Mutation in menschliche Stammzellen, welchen diese Eigenschaft fehlt, könnten Forscher die HIV-Resistenz der Menschen in Zukunft maßgeblich erhöhen.
Ein weiteres Experiment in China soll im Juli 2018 beginnen und sieht vor, CRISPR zu nutzen, um die Gene des humanen Papillomavirus (HPV) – Verursacher von Gebärmutterhalskrebs - zu zerstören.
In einem etwas anderen Versuchsansatz verwendeten Wissenschaftler in North Carolina CRISPR, um spezielle Bakteriophagen herzustellen (eine Art von Virus, das ein Bakterium infiziert), um schädliche Bakterien abzutöten. Seit den 20er Jahren wurden Phagen in klinischen Studien zur Behandlung bakterieller Infektionen eingesetzt. Aber sie aus der Natur zu kultivieren, erwies sich als schwierig, ein Mangel an Verständnis zu jener Zeit machte die Ergebnisse unvorhersehbar, und der wachsende Antibiotika-Markt machte ihre Verwendung unpopulär.
Manche Forscher befürchten auch heute noch, dass die Überschwemmung des Körpers mit einer großen Menge an Phagen starke Immunreaktionen auslösen oder Antibiotika-resistente Bakterien auch gegen Phagen resistent werden könnten, die sie sonst eliminieren würden.
Während die Versuche am Menschen noch nicht begonnen haben, sind die Forscher optimistisch, CRISPR für die Entwicklung von Phagen einzusetzen, da sie eine bewährte und sichere Methode zur Behandlung bakterieller Infektionen sind. In einer Studie aus dem Jahr 2017 gelang es den Forschern, das Leben von Mäusen zu retten, die mit antibiotikaresistenten Bakterien infiziert waren, und zwar mit CRISPR-manipulierten Bakteriophagen.
3. CRISPR könnte neue, gesündere Lebensmittel schaffen
Die Modifikation von Genen durch CRISPR hat sich im Bereich der Agrarforschung als vielversprechend erwiesen. Wissenschaftler des Cold Spring Harbor Laboratory in New York nutzten das Tool, um den Ertrag von Tomatenpflanzen zu erhöhen. Das Labor entwickelte eine Methode zur Optimierung der Gene, die die Größe der Tomate, die Verzweigung der Äste und letztendlich die Form der Pflanze bestimmen um größere Ernteausbeuten zu erlangen.
"Jedes Merkmal kann jetzt so gesteuert werden, wie ein Dimmer eine Glühbirne steuert", sagte der leitende Forscher und Cold Spring Harbor Laboratory-Professor Zachary Lippman. "Wir können jetzt mit der nativen DNA arbeiten und verbessern, was die Natur zur Verfügung gestellt hat, was unseres Erachtens helfen kann, Ertragsbarrieren zu überwinden."
Ergiebige Nutzpflanzen für eine hungrige Welt sind nur der Anfang - Wissenschaftler hoffen, CRISPR könnte auch helfen, das Stigma um genetisch veränderte Organismen (GMO) zu beseitigen. Im Jahr 2016 kündigte der Agrartechnologie-Konzern DuPont Pioneer eine neue Sorte von CRISPR-bearbeitetem Mais an, der aufgrund der Art und Weise, wie Forscher dessen Gene veränderten, technisch gesehen kein GVO ist.
Die Unterscheidung zwischen GMO und genveränderte Kulturpflanzen durch CRISPR ist ziemlich einfach. Herkömmliche GMO werden hergestellt, indem fremde DNA-Sequenzen in das Genom einer Pflanze eingebracht werden, wodurch Merkmale oder Eigenschaften auf zukünftige Organismen übertragen werden.
Das Gene-Editing durch CRISPR ist viel genauer: es arbeitet präzise an Genen und an bestimmten Stellen des nativen Genoms, wobei oft bestimmte Gene ausgeknipst oder ihre Positionen verschoben werden, ohne fremde DNA einzuführen.
Während GVOs bei den Verbrauchern strittig waren und noch sind, hoffen Unternehmen wie DuPont Pioneer, dass gen-editierte Lebensmittel besser angenommen werden. In den Jahrzehnten, in denen GVO auf dem amerikanischen Markt verfügbar waren, haben Wissenschaftler keine gesundheitlichen Risiken festgestellt, obwohl selbst die größten Befürworter von GMO zugeben, dass die Wissenschaftler immer noch nicht alle langfristigen Risiken kennen. Gleiches gilt für die von CRISPR beeinflussten Kulturpflanzen. Natürlich werden Wissenschaftler diese Pflanzen weiterhin testen und evaluieren, um sicherzustellen, dass keine unerwarteten Nebenwirkungen auftreten, aber diese frühen Ergebnisse sind äußerst vielversprechend. Schließlich werden die CRISPR h-Pflanzen die globalen Märkte überschwemmen.
DuPont Pioneer hofft, seinen "wachsartigen" Gen-editierten Mais bis 2020 in den USA auf den Markt bringen zu können. Schweden hat bereits erklärt, dass es CRISPR-Kulturpflanzen anders als GMO kategorisieren und regulieren wird, die Europäische Union muss sich noch entscheiden.
4. CRISPR könnte die gefährlichsten Plagen beseitigen
Gene-Editing-Techniken wie CRISPR könnten Infektionskrankheiten direkt bekämpfen, jedoch haben sich einige Forscher dazu entschlossen, die Ausbreitung von Krankheiten durch die Beseitigung ihrer Übertragungswege zu verlangsamen bzw. zu verhindern. Wissenschaftler an der University of California in Riverside haben eine Art Mücke gezüchtet, die gegenüber Modifikation durch CRISPR sehr empfänglich ist und Wissenschaftlern eine beispiellose Kontrolle über diverse Eigenschaften gibt, die der Organismus an seine Nachkommen weitergeben kann. Das Ergebnis: gelbe, dreiäugige, flügellose Moskitos, die durch veränderte Genen entstehen, die für die Entwicklung und Ausprägung von Augen, Flügel und Kutikula verantwortlich sind.
Durch das Ausschalten von Zielgenen an mehreren Stellen testet das Team ein "Gene Drive"-System, um diese hemmenden Eigenschaften zu verbreiten. Gene-Drives sind eine Möglichkeit, sicherzustellen, dass genetisches Merkmal vererbt wird. Indem das Riverside-Team den Flug und die Sicht der Mücke beeinträchtigt, hofft es darauf, die Wahrscheinlichkeit zur Verbreitung gefährlicher Infektionskrankheiten unter Menschen wie Dengue- und Gelbfieber stark zu reduzieren.
Andere Forscher vernichten ganze Moskito-Populationen, indem sie deren Reproduktion stören. Am Imperial College London nutzte ein Forscherteam im Jahr 2016 CRISPR, um die Fortpflanzungfähigkeit der weiblichen Malaria-Stechmückenart durch ein Gene-Drive-System zu beeinflussen, das die Sterilität von Weibchen dahingehend verstärkt, dass sie eher vererbt wird.
Dieses Eingreifen in die Moskitopopulationen könnte jedoch unvorhergesehene Konsequenzen haben. Die Eliminierung einer Spezies, auch wenn diese für den Menschen keinen ökologischen Wert zu haben scheint, könnte das sensible Gleichgewicht der Ökosysteme beeinträchtigen und katastrophale Folgen haben, wie beispielsweise die Störung der Nahrungskette oder das Risiko, dass Krankheiten wie Malaria plötzlich von anderen Spezies übertragen werden können.
CRISPR von morgen...
Aktuelle wissenschaftliche Fortschritte zeigen, dass CRISPR nicht nur eine extrem vielseitige Technologie ist, sondern sich auch als präzise und zunehmend sicher erweist. Dennoch müssen noch viele Experimente angestellt werden; Wir sehen erst jetzt das volle Potenzial von Genom-Editing-Tools wie CRISPR-Cas9.
Technologische und ethische Hürden stehen immer noch zwischen uns und einer Zukunft, in der wir den Planeten mit künstlicher Nahrung ernähren, genetische Krankheiten beseitigen oder ausgestorbene Tierarten wieder zum Leben erwecken. Aber wir sind auf einem guten Weg.
Quellen:
https://futurism.com/researchers-used-crispr-to-successfully-increase-hiv-resistance-in-animals/
https://www.newscientist.com/article/2133095-boom-in-human-gene-editing-as-20-crispr-trials-gear-up/
https://futurism.com/scientists-modify-viruses-with-crispr-to-kill-antibiotic-resistant-bacteria/
https://www.biorxiv.org/content/early/2017/08/28/181255
https://www.nature.com/news/uk-scientists-gain-licence-to-edit-genes-in-human-embryos-1.19270
https://futurism.com/researchers-used-crispr-to-successfully-increase-hiv-resistance-in-animals/
https://futurism.com/genetic-engineering-create-yellow-three-eyed-wingless-mosquitoes/
https://www.nature.com/articles/nbt.3439
https://www.nature.com/news/2010/100721/full/466432a.html
https://www.smithsonianmag.com/innovation/kill-all-mosquitos-180959069/
