Nobelprisvinnernes genredigering ble tatt i bruk på rekordtid

Emmanuelle Charpentiers og Jennifer A. Doudnas nobelprisvinnende genredigeringsteknikk har revolusjonert forskningen innen molekylærbiologi og genetikk. Det mener UiO-forskere som allerede gjør utstrakt bruk av teknikken, bare åtte år etter at den ble oppdaget.

– Det store potensialet med den nye teknikken ligger i at den er så spesifikk at den kan brukes til å redigere nær sagt hvilken som helst DNA-sekvens i et genom. I tillegg innebærer teknikken at denne forskningen nå kan utføres mye fortere enn tidligere, forteller forsker Sergio Galindo-Trigo ved UiOs Institutt for biovitenskap.

– Nå brukes CRISPR i laboratorier over hele verden, til slike ting som å utvikle både mer sykdomsresistente avlinger, frukt som kan lagres lenger, mer produktive planteslag og økt fart på utviklingen av nye planter til dyrking. Alt dette er viktige bidrag til utviklingen av det bærekraftige landbruket vi trenger for å produsere mat til den stadig voksende folkemengden i verden. Denne teknologien er rett og slett en game-changer, oppsummerer han.

Utviklet en genetisk saks

Emmanuelle Charpentier holdt sitt digitale nobelforedrag 8. desember. Genredigeringsteknikken med det kronglete navnet CRISPR-Cas9 bygger i utgangspunktet på et molekylært «maskineri» som er del av det naturlige immunsystemet til visse bakterier, og som ble oppdaget allerede i 1993. Men at dette maskineriet kunne utvikles og brukes til å redigere genene i ulike organismer – blant annet mennesker – var det de to nobelprisvinnerne som oppdaget og dokumenterte.

Emmanuelle Charpentier og Jennifer A. Doudna har utviklet en genetisk «saks» – en teknikk som kan brukes til å klippe og redigere i gener. Det går knapt an å overdrive viktigheten av dette funnet: Den svenske nobelpriskomiteen begrunner tildelingen med at «teknikken har revolusjonert de molekylære livsvitenskapene, bidrar til nye kreftbehandlinger og kan gjøre virkelighet av drømmen om å helbrede arvelige sykdommer».

Undersøker planters vekst og felling

Etter at Charpentier og Doudna presenterte den genetiske «saksen» i 2012, har bruken eksplodert, og ved UiOs Institutt for biovitenskap brukes teknikken av flere grupper. Sergio Galindo-Trigo er med i en gruppe som undersøker prosessene som fører til at planter kvitter seg med blader, frukt og frø. Planter både lager og mister organer hele tiden, men i landbruket er det et problem for eksempel hvis modne frukter og frø faller ned på bakken før innhøstingen har begynt.

Galindo-Trigo og de andre forskerne i gruppen, som ledes av Melinka Butenko, undersøker hvordan disse prosessene blir regulert på molekyl-nivået. Utgangspunktet er at det ligger en lang evolusjon bak prosessene, men de blir også påvirket av ytre faktorer, som for eksempel temperatur eller daglengde. På molekyl-nivået er det noen spesielle små peptider som regulerer organfellingen, og peptidene har naturligvis en genetisk bakgrunn.

Før CRISPR-Cas9-teknikken ble oppfunnet, var Galindo-Trigo og kollegene avhengige av å bruke frøsamlinger med tilfeldige mutasjoner for å beskrive de genene som var interessante.

– Men takket være CRISPR-Cas9 kan vi nå redigere i de genene vi undersøker og undersøke virkningen kort tid etterpå. Dette sparer oss for veldig mye tid. Jeg klarte for eksempel helt nylig å teste en hypotese i løpet av tre måneder ved å introdusere en mutasjon i en plante. Før CRISPR-Cas9 ble oppfunnet, ville den samme forskningen tatt minst seks måneder, forteller Galindo-Trigo.

Genredigering for å berge torsken

Forsker Anna Zofia Komisarczuk bruker CRISPR-teknikken i et prosjekt som kan bidra til å styrke torskebestanden langs norskekysten. Bestanden av havlevende torsk langs norskekysten står nemlig i fare for å bli svekket, fordi torsken trives best i kaldt vann og kan vandre nordover når klimaendringene fører til at vannet blir varmere. Den mer stedbundne kysttorsken inne i fjordene har imidlertid ingen steder å dra, så den reagerer isteden med å vokse saktere.

Men torsken er også en art med stor genetisk variasjon, og da kan det tenkes at det finnes torsk med gener som gjør arten bedre i stand til å trives i varmere vann.

– Derfor bruker vi CRISPR-teknikken til å lete etter slike gener, forteller Komisarczuk.

Professor Kjetill S. Jakobsen og andre forskere ved CEES oppdaget i 2017 at torskens genom inneholder ekstraordinært mange gjentakelser av en type som kalles short tandem repeats – forkortet STR – på engelsk. Anna Komisarczuk ser nå nærmere på noen slike korte DNA-sekvenser hos torsken.

Men torsken er en stor fisk som vokser sakte, så Komisarczuk jobber isteden med en mindre fisk – en modellfisk – som vokser fortere og er lettere å håndtere. Den japanske risfisken, som også kalles medaka (Oryzias latipes), er en liten tass som tåler store variasjoner i både vanntemperatur og -saltholdighet, og den er lett å avle fram i laboratoriet.

– Vi bruker genredigering med CRISPR/Cas9-teknikken til å studere medaka-gener som likner mye på torskens gener, og så redigerer vi i disse genene for å se på effekten. På denne måten håper vi å finne fram til gener som kan styrke torskens evne til tilpasning og overlevelse, forteller Komisarczuk.

Studerer menneskets enzymer

Pål Falnes og Erna Davydova bruker CRISPR-teknologi til å finne funksjonen til menneske-enzymer som ingen har studert tidligere. Tidligere har de også brukt en annen genredigeringsteknologi, kalt "sink-finger-teknologi". Denne er en slags forløper til CRISPR-teknologien, men mye mindre effektiv.

Kunnskapen de får på denne måten kan bli relevant for utviklingen av nye medisiner mot diverse sykdommer. I 2018 avslørte Falnes-gruppen for eksempel hvordan enzymet METTL13 fungerer, og de har nylig blitt tildelt forskningsmidler for videre studier av dette enzymet.

– Det har nemlig vist seg at METTL13 er viktig for veksten av kreftceller. I fjor fikk vi innvilget et prosjekt fra Kreftforeningen for å studere dette enzymet nærmere, forklarer Falnes.

Forskningsgruppen fokuserer særlig på enzymer som setter metyl-grupper på proteiner og nukleinsyrer, såkalte metyltransferaser. Denne prosessen kalles metylering, og det er kjent at metylgrupper kan føre til at gener slås av eller på.

– Men de metylgruppene og enzymene vi studerer, er ikke primært involvert i å regulere gener, i alle fall ikke på DNA- og kromosomnivået. De er snarere involvert i å regulere eller optimalisere funksjonen til andre proteiner (eller RNA) i cellen, understreker Falnes.

Forskerne undersøker disse enzymene ved å se hvordan de oppfører seg i reagensrør, men det er også viktig å finne ut om de samme reaksjonene skjer inne i levende celler.

– Her har CRISPR-teknologien vært meget nyttig for oss, siden den kan brukes til å lage "gen-redigerte" menneskeceller som mangler enzymet vi er interessert i. Dersom vi finner at målmolekylet er umetylert i celler som mangler enzymet, mens det er metylert i normale celler, kan vi konkludere med at metyleringsreaksjonen som vi så i et reagensrør, også finner sted inne i cellene og dermed trolig er biologisk relevant, forteller Falnes.

– Tilgangen på CRISPR-celler har faktisk vært helt avgjørende for de fleste av de viktigste forskningsfunnene vi har gjort de siste årene, oppsummerer han.

Krepsepest, froskesykdom og lakseparasitt

UiO-forsker Alexander Eiler bruker CRISPR-teknologien for å bekjempe krepsepest, froskedød og lakseparasitten Gyrodactylus salaris – ved å bygge et avansert laboratorium for miljøovervåking, men som er så lite at det skal få plass på en liten databrikke.

Krepsepest er forårsaket av den encellede soppen Aphanomyces astaci. Den encellede soppen Batrachochytrium dendrobatidis forårsaker hudsykdommer og hjertesvikt hos amfibier, og Gyro-parasitten er en av de viktigste årsakene til laksedød.

– Hvis vi skal klare å bekjempe disse sykdommene, må vi også være i stand til å påvise dem i miljøet selv om utbredelsen er liten i det området vi undersøker. Det er mulig å påvise parasittene i dag ved hjelp av blant annet PCR-teknologi, men dette er både kostbart og krevende. Vi arbeider derfor med å utvikle en mye enklere og rimeligere diagnostikk basert på CRISPR, forteller Eiler, som er forsker ved UiOs Senter for Biogeokjemi i Antropocen.

– Vi har alt på plass, og de meste fungerer i laboratoriet. Utfordringen er å overføre laboratoriet til en liten brikke som kan produsere data i felt, tilføyer Alexander Eiler.

Alexander Eiler samarbeider nært med forskerne Jessica Rieder og Irene Adrian-Kalchhauser fra Universitetet i Bern. De planlegger å utvikle et system der CRISPR kombineres med en metodikk som kalles Sherlock (forkortelsen for Specific High-Sensitivity Enzymatic Reporter unLocking), som skal være lett å ta med seg ut i felten.

– Sherlock-systemet er bygd opp rundt et CRISPR-assosiert protein som kalles Cas13, som kan programmeres slik at det binder seg til en spesifikk del av en RNA- eller en DNA-streng som vi finner hos disse parasittene. Dette arvestoffet inneholder jo koden som parasittene bruker til å bygge opp enzymer og proteiner, men Cas13 kan forstyrre denne prosessen. Da produseres det signalmolekyler som vi lett kan detektere, forklarer Eiler.

Første nobelpris til to kvinner

Emmanuelle Charpentier var så godt som ukjent i 2011, men så ble hun en verdensberømt forsker i løpet av kort tid. Da hun kom til Oslo og holdt foredrag i Vitenskapsakademiet 18. januar 2017, kom det så mye folk at dørene måtte stenges av sikkerhetshensyn. Arrangørene spådde allerede da at hun var en sterk kandidat til en nobelpris, og i 2020 gikk spådommen altså i oppfyllelse. Årets tildeling er for øvrig første gang en nobelpris er tildelt to kvinner samtidig.

..................

Fakta: 

Genenes alfabet

Genomet hos alle organismer er skrevet med et «alfabet» som består av kun fire basemolekyler: Adenin (A), tymin (T), guanin (G) og cytosin (C).

En «short tandem repeat», altså en STR, kan for eksempel gå ut på at et gen inneholder korte sekvenser som «AC» eller «CGA» flere ganger etter hverandre.