CRISPR-Cas (här och här), populärt kallad ”gensaxen”, belönades med Nobelpriset i kemi 2020. Upptäckten av ”gensaxen” gjordes av de båda forskarna Emmanuelle Charpentier och Jennifer Doudna. Sedan deras första vetenskapliga upptäckter och publikationer 2009 – 2011 har många forskare och vetenskapliga entreprenörer intresserat sig för, och i många avseenden bidragit till, utvecklingen av denna potentiellt omvälvande bioteknik.

Forskningsfältet har varit under utveckling under flera decennier, men det var Charpentier och Doudna som gjorde de kritiska upptäckterna (i alla fall ansåg Nobelkommittén det). Det var också Charpentiers och Doudnas arbete som möjliggjorde ett genombrott för en bredare användning och den fortsatta explosiva utveckling som vi ser nu. Forskarduon har under senare decennier belönats med flera hedersdoktorat och vetenskapliga utmärkelser av olika slag. Intressant är också att Charpentiers forskning har anknytning till Sverige, eftersom det var i samband med att hon gästforskade vid Umeå Universitet som hon gjorde den ursprungliga upptäckten, och 2019 belönades Charpentier med Scheele-priset av Svenska Apotekarsocieteten.

CRISPR är en förkortning för Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, och Cas står för CRISPR Associated Systems. Namnet CRISPR associerar till de unika korta, delvis upprepade DNA-sekvenser som finns i genomet hos bakterier och andra mikroorganismer, som är avgörande komponenter i ”immunsystemet” hos dessa enkla livsformer när de invaderas av virus. När en virusinfektion hotar en bakteriecell kan CRISPR-”immunsystemet” i bakterierna motverka attacken genom att förstöra genomet hos det invaderande viruset. Cas9 är enzymet som kan klippa i organismers DNA. Med hjälp av en ”karta eller styrmekanism”, eller ett guide-RNA så hittar Cas9-proteinet det område i DNA-sekvensen som ska ändras. Detta ”guide-RNA” är en specifik sekvens som tillverkats så att den exakt matchar den DNA-sekvens man vill förändra.

I grunden är upptäckten på ett sätt ganska enkel, och det finns massor med pedagogiska webcasts på YouTube för den som är intresserad. Det är bara att söka på ”CRISPR”. I verkligheten är detaljerna ganska komplicerade, och med implementeringen av tekniken har det uppstått en rad frågor om var de etiska och moraliska gränserna går för denna teknik (här och här).

Vad man gör är att införa ett guide-RNA i cellen som hittar den rätta bas-sekvensen i cellens DNA, och sedan ”klipper” Cas9 det dubbelsträngade DNA. Det medför att det går det att ändra ”informationen” och egenskaperna i cellens DNA. Man kan alltså byta ut enstaka baser eller ”bokstäver” i cellens DNA-sekvens, ungefär som att ändra i en skriven text. Detta ger möjligheter att till exempel:

– Om cellens DNA är avvikande och orsak till sjukdom, så kan sådana sjukdomsorsakande gener ”lagas”. Man kan helt enkelt byta ut ett helt eller delar av ett anlag, som är orsak till vissa typer av ärftliga sjukdomar.

– Man kan införa helt nya anlag hos bakterier och andra mikroorganismer, och genomföra effektiv och storskalig produktion av komplexa molekyler som är användbara som mediciner eller enzymer i industriella eller andra sammanhang.

– Man kan ändra gensekvensen så att gener däggdjur, växter eller mikroorganismer undertrycks eller ”tystas”. På detta sätt kan man göra ändringar som gör att gener slutar att fungera och att funktioner som till exempel skadlig eller oönskad proteinproduktion ”stängs av”.

– Man kan optimera egenskaperna hos olika växter, och åstadkomma produktion av grödor med förbättrade och delvis nya egenskaper, som exempelvis motstår mögel, olika skadedjur och torka.

– Man kommer att kunna ”återskapa” djur och växter som är utrotade av människan under historien, som till exempel den utdöda mammuten.

– Man kan åstadkomma mikroorganismer med helt nya egenskaper, som inte bara har gynnsamma egenskaper för mänskligheten, utan också kan innebär hot om nya smittsamma sjukdomar orsakade av genförändrade bakterier eller virus.

Redan från början beskrevs CRISPR-Cas tekniken som ”game-changing”, eftersom denna nya ”gensax”-teknik, gjorde det möjligt för forskare att göra specifika förändringar i arvsmassan (DNA) hos inte bara hos bakterier, utan också hos människor, andra primater, växter och flertalet mikroorganismer.

CRISPR-Cas visade sig vara ett verktyg för genomredigering som gjorde det teoretiskt möjligt att göra mycket exakta ingrepp i arvsmassan. Det öppnade för stora möjligheter inom en mängd områden, från att skapa ”designade” växter och mikroorganismer, till att behandla eller bota allvarliga genetiska sjukdomar hos människa. Men verkligheten visade sig vara lite mer komplicerad, eftersom CRISPR-tekniken ibland orsakade förändringar som man inte förväntat sig.

I dag, ett decennium efter den initiala upptäckten, så har alltså ”gensax”-tekniken utvecklats i många olika avseenden. Det är rimligt att tro att vi bara har sett den allra första början av den vetenskapliga utvecklingen och den kommersiella potentialen av dessa tekniker. Det var många som tidigt insåg värdet av CRISPR, vilket ledde till ”infekterade” strider om ”intelletual property”, eller rättigheterna till den ursprungliga tekniken, där universitet och forskare kämpade om patenträttigheterna. Mycket av dessa stridigheter har nu lugnat ner sig, och vad vi nu ser är en komplext ägande av patenträttigheterna, vilket i vissa avseenden kan försvåra utvecklingen av de praktiska tillämningarna framöver.

Varför är intresset så stort för CRISPR tekniken? En anledning är att även om den vetenskapliga forskningen i teorin kan vara ganska komplicerad, så är den grundläggande laboratorietekniken praktiskt enkel. Många experiment kan man göra med enkla hjälpmedel i vanliga laboratorier.

Enkelhet, hög effektivitet och en till synes bred användning av CRISPR – Cas har lett till stora förhoppningar att denna banbrytande teknik kan ha potential att omvandla viktiga sektorer inom bioteknik och medicin.

Men – och det är ett viktigt ”men” – många viktiga frågor återstår att besvaras, speciellt kopplade till de potentiella risker som ”nya” växter och mikroorganismer med olika förändrade och helt nya egenskaper kommer att innebära.

Policyregler för arbete med och applikation av CRISPR-Cas9 varierar över världen. I Sverige faller många av de växtfysiologiska applikationerna av tekniken inom ramen för vad som betraktas som genetiskt modifierade organismer (GMO) som därför omgärdas av ett omfattande regelverk. Andra applikationer, när inget främmande DNA tillförts utifrån, kan däremot tillåtas helt utan restriktioner.

Vidare, när det gäller mänskliga celler, kan man tillåta förändringar i könsceller (där anlagen förs vidare i generationer) eller bara hos barn eller vuxna individer med specifika genetiska sjukdomar? I april 2015 rapporterade kinesiska forskare resultat av ett försök att ändra DNA hos icke-livskraftiga mänskliga embryon med CRISPR för att korrigera en mutation som orsakar beta-talassemi, en dödlig ärftlig sjukdom. Studien hade tidigare avvisats för publikation av flera ledande vetenskapliga tidskrifter delvis på grund av etiska problem. De kinesiska experimenten visade att man endast lyckades förändra några av de avsedda generna men att man såg effekter i andra gener som man inte avsett förändra. Forskarna konkluderade då att CRISPR inte var redo för klinisk tillämpning inom reproduktiv medicin. I ytterligare försök från kinesiska forskare i april 2016 rapporterades att man gjort ett andra misslyckat försök att ändra DNA från icke-livskraftiga humana embryon med CRISPR – den här gången för att ändra genen CCR5 för att göra embryot resistent mot HIV-infektion.

I Europa fick brittiska forskare tillstånd i februari 2016 av tillsynsmyndigheter att genetiskt modifiera mänskliga embryon med CRISPR-Cas9 och motsvarande tekniker. De brittiska forskarna förbjöds däremot att implantera embryona och modifierade embryon skulle förstöras efter sju dagar.

I november 2018 meddelade den kinesiske forskaren Jiankui He att han hade modifierat två mänskliga embryon för att försöka inaktivera just genen för CCR5, den gen som kodar för en receptor som HIV använder för att komma in i cellerna. Han meddelade också att tvillingflickorna, Lulu och Nana, hade fötts några veckor tidigare. Det visade sig att de två flickorna fortfarande bar funktionella gener för CCR5 men även förändrade CCR5 gener. De uppvisade således en ”mosaikism” med både ursprungliga och förändrade gener för CCR5, vilket innebar att de fortfarande var känsliga för HIV-infektion. Vetenskapssamhället var i uppror och He fördömdes allmänt för att han gjort ett oetiskt, farligt och för tidigt genomfört experiment. Efter detta har internationella grupper av forskare och bioetiker formulerat ett globalt moratorium för genetisk redigering av mänskliga embryon.

Inom medicinen kan man anta att vi med tiden kommer att se flera terapeutiska tillämpningar av CRISPR–Cas-relaterade system för genom eller epigenom ”redigering” vid olika sjukdomar hos vuxna människor (men inte embryon). Exempelvis användes CRISPR-tekniken i juli 2019 i ett försök att experimentellt behandla en 34-årig kvinna med den genetiska sjukdomen sickelcell-anemi. I mars 2020 injicerades en patient med en medfödd ögonsjukdom – Lebers kongenitala amauros – med ett CRISPR-modifierat virus i patientens öga i ett försök att behandla denna svåra sjukdom. Idag pågår världen över tusentals olika kliniska studier av CRISPR tekniken vid olika sjukdomar.

Inom biotekniken utvecklar man idag flera olika applikationer av CRISPR-Cas vilka kan få stor betydelse för samhället i stort. I biovetenskapen används idag CRISPR-tekniken för olika tillämpningar där man gör förändringar i genomet hos olika former av organismer, inklusive celler från växter och olika grödor, bakterier, virus men även celler från djur. Teknologin kan också hitta en framtida användning i ”de-extinction”, det vill säga att återskapa utrotade djur, såsom mammuten, den europeiska uroxen, Tasmanska tigern (tylacine), quaggan eller den amerikanska vandringsduvan (). Faktum är att dessa projekt redan är igång.

Helt klart är att CRISPR – Cas-upptäckten av Charpentier och Doudna innebär att vi nu har ett kraftfullt teknikverktyg för att redigera den genetiska koden, vilket medför både risker och möjligheter. De första applikationerna kommer sannolikt inom växtförädling och inom produktion av komplexa molekyler i bio-reaktorer. De applikationer som är kopplade till human medicin och ärftliga sjukdomar, eller ”de-extinction” av däggdjur och fåglar kommer däremot att ta decennier att förverkliga. Flera kommersiella aktörer har redan kastat sig in kapplöpningen, och det finns redan ett antal bolag noterade på de amerikanska och europeiska börserna.

I praktiken innebär tekniken att det är möjligt att göra förändringar i nukleotid-sekvensen för praktiskt taget vilken gen, celltyp eller organism som helst. ”Gensax” tekniken kommer helt säkert att innebära många oväntade och spektakulära framsteg under de närmaste åren. De kommer att följas av omfattande diskussioner i samhället av om de etiska och miljömässiga konsekvenserna. Men ingen nation kommer att vilja riskera att hamna utanför denna utveckling.

Thomas Hedner är professor i klinisk farmakologi vid Sahlgrenska Sjukhuset i Göteborg och har tillika en doktorsexamen i ekonomi.