Jede Zelle in Ihrem Körper enthält ungefähr 3 Milliarden Basenpaare DNA-Code. Nur ein paar kleine Fehler in diesem Code können zu einer schwächenden Krankheit führen. Der Molekularbiologe Eric Olsen hat beschrieben, dass ein Wort in einem falsch geschrieben wirdStapel von tausend Bibeln, und dieser winzige Tippfehler könnte ein Kind fürs Leben in einen Rollstuhl setzen.
Forscher haben bereits DNA-Fehler als Ursache für fast identifiziert 7.000 Krankheiten . Zum Glück könnte die wachsende Welt der Genombearbeitung die "Rechtschreibprüfung" sein, die erforderlich ist, um diese Probleme zu erkennen und schließlich zu beheben.
Die Bearbeitung von Genomen wird häufig mit Designerbabys und CRISPR / Cas9 gleichgesetzt. Die Welt der Bearbeitung von Genomen ist jedoch weitaus vielfältiger und komplexer und geht weit über CRISPR hinaus, das nur das Neueste in einer langen Reihe von Bearbeitungswerkzeugen ist.Gentechnik ist eine Art Gentechnik, bei der DNA in das Genom eines lebenden Organismus eingefügt, gelöscht, modifiziert oder ersetzt wird.
Es ist ein unglaublich leistungsfähiges Werkzeug mit enormem Potenzial auf dem Gebiet der Medizin. In seiner einfachsten Form ist es eine Möglichkeit, spezifische Änderungen an der DNA eines Organismus vorzunehmen. Es ähnelt dem Bearbeiten des Codes in einer Computersoftware.
Es gibt einen Grund, warum es viel Hype um das Editieren von Genen gibt, und Sie sollten auch aufgeregt sein. Das Editieren des Genoms könnte möglicherweise zur Behandlung schwerer degenerativer Erkrankungen und zur Behebung einfacher genetischer Zustände wie Muskeldystrophie eingesetzt werden. Es könnte eines Tages bald seinFrüher wurden neue menschliche Organe bei Schweinen gezüchtet, die ständige Nachfrage nach Organtransplantationen bekämpft und möglicherweise die menschliche Fortpflanzung auf den Kopf gestellt. Ja, wir sprechen davon, damit ganze Populationen zu konstruieren.
Wir sind noch weit vom Film entfernt Gattaca oder Aldous Huxleys Schöne neue Welt . Dennoch wirft die reale Gentechnik einige sehr interessante ethische Fragen auf. Heute werden wir uns mit der Geschichte der Genombearbeitung, neuen Methoden wie CRISPR sowie Alternativen und einigen der ethischen Fragen befassen, die derzeit auftretendieses medizinische Werkzeug.
Was ist Genombearbeitung?
Okay, zur Überprüfung ist die Bearbeitung des Genoms oder der Gene eine relativ neue Methode, mit der Wissenschaftler die DNA von Bakterien zu Tieren ändern können. Diese "Änderungen" können möglicherweise zu Änderungen der physischen Merkmale wie der Augenfarbe oder, was noch wichtiger ist, zu Veränderungen führenbestimmte Krankheiten heilen. Genombearbeitung wurde bereits in der Landwirtschaft verwendet, um Pflanzen zu modifizieren, um ihre Erträge zu verbessern und ihre Resistenz gegen Krankheiten und Dürre zu erhöhen.
Es gibt viele verschiedene Methoden und Technologien zum Bearbeiten von DNA. Dennoch wirken die meisten dieser Technologien im Allgemeinen wie die Funktionen "Ausschneiden" und "Einfügen" auf Ihrem Computer, sodass Wissenschaftler die DNA an einer bestimmten Stelle in einem Organismus ändern können.Genom. Obwohl sich ein Großteil des Hype um Gen-Editing auf seine Fähigkeit konzentriert, Ingenieur Menschen Die Hauptanwendung der Genombearbeitung war bisher Pflanzen und einige Tiere in Laborumgebungen.
Können wir diese Fehler, diese molekularen Fehler korrigieren?
Als in den 1940er Jahren festgestellt wurde, dass DNA für die Vererbung verantwortlich ist, und in den 1950er Jahren die Struktur des DNA-Moleküls aufgeklärt wurde Forscher erkannten, dass Fehler in diesem genetischen Code für viele Krankheiten und Erbkrankheiten verantwortlich waren.
Die folgende Frage war offensichtlich. Könnten diese Fehler korrigiert werden? Diese Frage führte in den 1970er Jahren zur Entstehung der Gentechnik, als neuer genetischer Code in die DNA von Organismen eingeführt wurde. Diese Technologie war ursprünglich nicht in der Lage, das neue Material gezielt einzusetzen.
Homologe Rekombination
Ein frühes Beispiel für das Targeting von Genen auf bestimmte Stellen innerhalb eines Genoms eines Organismus verwendete die homologe Rekombination. Diese Methode beinhaltet die Konstruktion einer Art Matrize, die mit der Zielgenomsequenz übereinstimmt, und stützte sich auf die normalen Zellprozesse, um diese Matrize einzufügendie Methode wurde erfolgreich eingesetzt, um genetische Veränderungen bei Mäusen mit embryonalen Stammzellen einzuführen.
Bedingtes Targeting
Eine andere frühe Methode verwendete das bedingte Targeting unter Verwendung von Enzymen ortsspezifische Rekombinasen SSR. Diese Techniken waren in der Lage, Gene nur in bestimmten Zellen auszuschalten oder einzuschalten, und ermöglichten es den Forschern letztendlich, unter bestimmten Bedingungen eine Rekombination zu induzieren, wodurch Gene zu bestimmten Zeiten oder in bestimmten Entwicklungsstadien ausgeschaltet oder exprimiert werden konnten.
Prozess der Gentechnik
Der Schlüssel zur Bearbeitung des Genoms liegt in einer doppelsträngigen Unterbrechung. DSB im Genom an einem bestimmten Punkt und Entfernen des fehlerhaften Teils des genetischen Codes. Enzyme werden dann verwendet, um den Bruch zu reparieren, die Enden der DNA wieder zu verbinden oder die fehlenden korrekten Sequenzen an der richtigen Stelle einzufügenWährend bestimmte Enzyme beim Schneiden von DNA wirksam sind, schneiden sie im Allgemeinen an mehreren Stellen - möglicherweise entfernen sie DNA, die Forscher nicht entfernen möchten. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden verschiedene Arten von Nukleasen Enzymen erzeugt. Diese werden als Zinkfinger-Nukleasen bezeichnetZFNs, Transkriptionsaktivator-ähnliche Effektor-Nukleasen TALEN , Meganukleasen und die geclusterten, regelmäßig verteilten kurzen palindromischen Wiederholungen CRISPR / Cas9.
Meganukleasen
Meganukleasen wurden Ende der 1980er Jahre entdeckt, sie können DNA-Sequenzen zwischen 14 und 40 Basenpaaren erkennen und schneiden. Es kann jedoch schwierig sein, Nukleasen zu konstruieren, die die DNA genau an der benötigten Stelle schneiden. Kürzlich wurde eine Bibliothek vonEs wurden Sorten geschaffen, mit denen Wissenschaftler leichter Meganukleasen herstellen können, die an bestimmten Stellen schneiden. Beispielsweise gibt es jetzt Meganukleasen, die Mutationen im menschlichen XPC-Gen entfernen können, die dazu führen, dass Xeroderma pigmentosum eine Störung, die die Patienten für Hautkrebs prädisponiert und bei Einwirkung von UV-Licht verbrennt.
Zinkfinger-Nukleasen
In den 1990er Jahren verwendeten Wissenschaftler Zinkfinger-Nukleasen, um bestehende Gen-Editing-Techniken zu verbessern. Diese synthetischen Proteine werden für das Gen-Targeting verwendet und bestehen aus DNA-schneidenden Endonuklease-Domänen, die an Zinkfinger-Domänen fusioniert sind, die zur Bindung einer bestimmten DNA-Sequenz konstruiert wurden.Sie können verwendet werden, um Schnittstellen im Genom von Zellen hinzuzufügen oder zu löschen. Obwohl diese Methode dramatisch verbessert wurde, beträgt die Erfolgsrate immer noch nur etwa 10 Prozent. Darüber hinaus ist diese Methode zur Bearbeitung von Genen kostspielig und zeitaufwändigDesign.
Transkriptionsaktivator-ähnliche Effektor-Nukleasen TALENs
Transkriptionsaktivator-ähnliche Effektor-Nukleasen TALEN haben einige Ähnlichkeiten mit Zinkfinger-Nukleasen. TALENs wurden 2009 entwickelt und werden aus Proteinen hergestellt, die in der Natur vorkommen und an spezifische DNA-Sequenzen binden können. Ihre Wirksamkeit und Effizienz entsprechen jedoch ZFNsind sie viel einfacher zu konstruieren.
Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats CRISPR
Während ZFN und TALEN eine effektive Genombearbeitung bieten, besteht ein Nachteil darin, dass ihre Entwicklung sowohl zeitaufwändig als auch teuer ist. Außerdem ist der Prozess der Entwicklung von Proteinen fehleranfällig. CRISPR ist in Bereichen der Genbearbeitung so revolutionär, weil es bietetWissenschaftler eine schnellere und einfachere Möglichkeit, das Genom zu bearbeiten, "ohne dass eine Montage erforderlich ist". CRISPR / Cas9 war bereits in den 1990er Jahren auf dem Radar der Forscher, aber sein volles Potenzial wurde erst in den letzten Jahren ausgeschöpft.
CRISPR / Cas9 ist eine leistungsstarke neue Technologie zur Bearbeitung von Genen, die um 2012 von den Wissenschaftlern Feng Zhang, Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier separat entwickelt wurde.
CRISPR kann bestimmte Genomsequenzen erkennen und häufig unter Verwendung des Cas9-Proteins schneiden.
Die CRISPR-Technologie basiert auf einem Abwehrmechanismus, mit dem Bakterien Viren bekämpfen. Viren greifen Zellen an, indem sie mithilfe der zelleigenen Maschinerie Repliken von sich selbst erstellen. Schließlich platzen die Zellen und die Viruskopien werden in den Organismus freigesetzt, um neue zu infizierenZellen. Bakterien haben jedoch einen Weg entwickelt, sich zu wehren, indem sie die DNA des Virus zerschneiden. Wenn ein Bakterium einen Virusangriff überlebt, kopieren sie Teile der DNA dieses Virus und bauen diese in sein eigenes Genom ein. Diese Kopien werden wie Fahndungsfotos verwendetdamit die Bakterien schädliche Viren identifizieren können.
Um diese Sammlung von "Fahndungsfotos" zu verfolgen und sie von der eigenen DNA der Bakterien zu trennen, werden sich wiederholende Sequenzen von Molekülen um jede Sequenz gelegt, die einem Virus entnommen wurde. Wenn ein Bakterium auf ein Virus mit einer Sequenz stößtIn seiner Sammlung senden die Bakterien ein Enzym, um alles, was mit dem genetischen Fahndungsfoto übereinstimmt, auseinanderzuschneiden und zu zerstören. Mit CRISPR können Wissenschaftler einen ähnlichen Ansatz verfolgen und häufig das Protein Cas9 verwenden, um bestimmte Gensequenzen zu schneiden und zu ersetzen.
Mit der CRISPR-Technik können Wissenschaftler nahezu jedes Gen in jeder Pflanze oder jedem Tier schnell und effizient zu geringen Kosten verändern. Forscher haben die Technik bereits verwendet, um genetische Krankheiten bei Tieren zu korrigieren, Pflanzen anzubauen, die gegenüber einem bestimmten Klima widerstandsfähiger sind, und Schweineorgane zu verändernSterilisieren Sie zur einfacheren Transplantation beim Menschen Mücken zur Vorbeugung von Krankheiten und fügen Sie Beagles Muskelmasse hinzu.
Wissenschaftler können CRISPR auch verwenden, um kurze RNA-Templates zu erstellen, die einer bestimmten Sequenz im Genom entsprechen, wodurch die Bearbeitung wesentlich einfacher, effizienter, billiger und schneller wird. CRISPR wird derzeit zur Entwicklung von Behandlungen für HIV, Duchenne, verwendetMuskeldystrophie, einige Arten von Blindheit und Lyme-Borreliose, um nur einige zu nennen.
"CRISPR ist unglaublich leistungsfähig. Es hat bereits eine Revolution im täglichen Leben in den meisten Labors gebracht. Ich bin sehr zuversichtlich, dass die Genbearbeitung in den nächsten zehn Jahren von einem primären Forschungswerkzeug zu etwas Neuem wirdBehandlungen in der Klinik, " sagte Neville Sanjana vom New York Genome Center und Assistenzprofessor für Biologie, Neurowissenschaften und Physiologie an der New York University.
Gen-Editing kann verwendet werden, um eine Vielzahl von Problemen zu lösen, wenn die Technologie ausgereift ist.
Gen-Editing Tools wie CRISPR könnten Wissenschaftlern die Schlüssel zum DNA-Königreich geben und es uns ermöglichen, "molekulare Fehler" zu finden und zu beseitigen. Laut Nicola Patron, einem molekularen und synthetischen Biologen am Earlham Institute in Großbritannien, "kommen wir zuEin Punkt, an dem wir verschiedene Kombinationen von Genen untersuchen, steuern können, wann, wo und wie viel sie exprimiert werden, und die Rolle einzelner DNA-Basen untersuchen können. Wenn wir verstehen, was DNA-Sequenzen tun, können wir Probleme in allen Bereichen der Biologie lösenvon der Heilung menschlicher Krankheiten über den Anbau ausreichend gesunder Lebensmittel bis hin zur Entdeckung und Herstellung neuer Medikamente, um zu verstehen, warum einige Arten aussterben. "
Es gibt eine Vielzahl von Problemen, die möglicherweise durch die Bearbeitung von Genen gelöst werden könnten.
Forscher könnten eines Tages Malaria von Mücken entfernen. Forscher haben bereits Mücken geschaffen, die gegen Malaria resistent sind, indem sie ein bestimmtes Segment der DNA von Mücken löschen. Neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson könnten möglicherweise der Vergangenheit angehören. Wissenschaftler arbeiten bereitsauf CRISPR-basierten Plattformen zur Identifizierung der Gene, die die zellulären Prozesse steuern, die zu neurodegenerativen Erkrankungen führen. 2017 verwendeten die Forscher CRISPR, um die Replikationsfähigkeit des HIV-Virus auszuschalten und das HIV-Virus aus infizierten Zellen zu eliminieren.
2016 erhielt ein Lungenkrebspatient in China als erster Mensch eine Injektion von Zellen, die mit CRISPR modifiziert worden waren. Forscher verwendeten CRISPR, um ein Gen zu deaktivieren, das von den Krebszellen zur Teilung und Vermehrung verwendet wurde. Ohne das Gen Forscherhoffe, die Krebszellen werden sich nicht vermehren.
Von der Landwirtschaft bis zur Pharmazie könnte uns die Gen-Bearbeitung eines Tages helfen, eine bessere Welt aufzubauen.
Könnte der Mensch irgendwann bearbeitet werden? Würde dies zu genetischer Diskriminierung führen?
Ja und Nein. Designer-Babys scheint das Gespräch bei der Diskussion von CRISPR zu leiten. Ethische Fragen wie "Ist es in Ordnung, Gentherapie bei einem Embryo anzuwenden, wenn es unmöglich ist, vom Embryo die Erlaubnis zur Behandlung zu erhalten?" Oder "Was ist, wenn Gentherapien zu teuer sind undNur wohlhabende Menschen können auf sie zugreifen und sie sich leisten? "Das war der Kern der Sorgen der meisten Menschen.
Was ist, wenn Menschen diese Werkzeuge verwenden, um die sportlichen Fähigkeiten oder die Körpergröße eines Kindes zu verbessern, anstatt sie zur Behandlung von Krankheiten zu verwenden?
Würde dies zu genetischer Diskriminierung führen? Obwohl die Forscher immer noch die Argumente dafür und dagegen steuern, hat die Geneditierung beim Menschen bereits begonnen.
USA, China und Großbritannien haben die Geneditierung beim Menschen nur zu Forschungszwecken genehmigt.
Wir haben noch einen langen Weg vor uns, bevor wir mit Mutanten herumlaufen
Selbst beliebte Gen-Editing-Tools wie CRISPR sind immer noch nicht perfekt. In einigen Fällen führen die Gen-Editing-Tools Schnitte an den falschen Stellen durch, und die Forscher sind sich immer noch nicht hundertprozentig sicher, wie sich dies auf die Menschen auswirktund die Gewährleistung der Sicherheit bei der Geneditierung sind immer noch zwei riesige Berge, die Wissenschaftler erklimmen müssen, bevor wir die gängigen Genombehandlungen sehen.
In ihrem Buch Ein Riss in der Schöpfung: Die neue Kraft, die Evolution zu kontrollieren Jennifer A. Doudas malt uns ein Bild einer von Genen bearbeiteten Welt Angabe , "Tomaten, die in der Speisekammer sitzen können und monatelang langsam reifen, ohne zu verfaulen. Pflanzen, die den Klimawandel besser überstehen können. Mücken, die keine Malaria übertragen können. Ultramuskuläre Hunde, die furchterregende Partner für Polizei und Soldaten sind. Kühe, die nichtHörner länger wachsen lassen. "
Sie fügt hinzu: "Diese Organismen klingen vielleicht weit hergeholt, aber dank der Gen-Bearbeitung existieren sie bereits. Und sie sind nur der Anfang. Während ich dies schreibe, wird die Welt um uns herum von CRISPR revolutioniert.ob wir dazu bereit sind oder nicht. "
Es klingt nicht schlecht, oder? Wie ist Ihre Meinung zur Gen-Bearbeitung? Wie wird es die Welt verändern?