Sifat dasar umat manusia akan segera berubah. Perubahan ini akan radikal dan cepat - tidak pernah ada hal seperti itu dalam sejarah spesies kita. Satu bab dari cerita kita baru saja berakhir dan bab berikutnya dimulai.
Revolusi dalam keberadaan manusia akan dimungkinkan berkat teknologi genetika baru dengan nama yang tidak berbahaya CRISPR (dilafalkan "crispr"). Banyak pembaca mungkin sudah melihat nama ini di berita, dan media arus utama lainnya akan segera mengambilnya. CRISPR adalah singkatan dari Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (pengulangan palindromik pendek, berjarak teratur dalam kelompok). CRISPR adalah genomik seperti vi (editor teks visual pada Unix) untuk perangkat lunak. CRISPR adalah teknologi pengeditan genom yang memberi insinyur genetika kesempatan yang belum pernah terjadi sebelumnya: mengubah mereka menjadi peretas gen. Sebelum munculnya CRISPR, rekayasa genetika berjalan lambat, mahal, dan tidak tepat. Sekarang, pengeditan genom dapat dilakukan dengan murah, akurat, dan dapat direproduksi.
Teks ini menceritakan kembali sejarah pengembangan CRISPR yang sangat non-teknis. Kita juga akan berbicara tentang Gene Drive [1], teknik biologis yang, jika digunakan bersama CRISPR, akan memberi insinyur genetika lebih banyak kekuatan. Di bawah ini saya telah menambahkan beberapa tautan bagi mereka yang tertarik untuk mempelajari topik ini lebih dalam - tautan tersebut dapat digunakan untuk membaca tentang detail teknis. Pada akhirnya, saya akan berbicara secara singkat tentang implikasi dan prospek dari teknologi tersebut.
Mari kita lihat informasi latar belakang. Kode genetik yang dijelaskan dalam DNA dapat dilihat sebagai perangkat lunak yang memunculkan semua jenis kehidupan yang ada di planet kita. Ahli genetika sedang mempelajari metode mendekode genom, tetapi semuanya diperumit oleh fakta bahwa mereka memiliki sedikit kesempatan untuk mengubah kode ini. Sebagai perbandingan, bayangkan jika pengembang perangkat lunak memiliki akses ke sejumlah besar program yang sangat kuat yang hampir tidak mereka pahami dan yang kodenya tidak dapat mereka ubah. Tetapi jika kemampuan untuk mengedit kode muncul, dan ilmuwan dapat memodifikasi "perangkat lunak genetik", maka penelitian dapat dilakukan dengan serius. Insinyur akan memiliki kesempatan tidak hanya untuk mengubah kode, tetapi juga untuk memperbaiki dan memperbaikinya. Hacker akan muncul kembali.
Akan lebih mudah untuk memahami teknologi luar biasa ini jika Anda mengetahui dari mana asalnya. Pada 1980-an, para ilmuwan di Universitas Osaka mengurutkan DNA bakteri E Coli dan menemukan sesuatu yang aneh. DNA terdiri dari rantai panjang nukleotida, dan di dalamnya terdapat sekumpulan berulang urutan nukleotida aneh yang tidak pada tempatnya. Mereka tampak seperti sedang diinterupsi oleh untaian acak DNA. Seiring waktu, kelompok serupa ditemukan di beberapa bakteri lain dan diberi nama CRISPR (nama ini secara ringkas menggambarkan apa yang ditemukan para ilmuwan). Namun, kemudian tidak ada yang tahu apa itu dan apa fungsi dari temuan ini.
Ada beberapa penemuan yang telah memberi para ilmuwan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini, tetapi ada baiknya menyoroti dua di antara yang paling penting. Pertama, tiga tim berbeda baru-baru ini menggunakan basis data baru dari materi genetik dan memperhatikan bahwa untaian CRISPR ini tampak seperti DNA virus yang tidak biasa. Kedua, ahli biologi evolusi yang brilian dari Pusat Informasi Bioteknologi Nasional Evgeny Kunin sampai pada kesimpulan kunci bahwa ini adalah mekanisme perlindungan bakteriologis terhadap virus. Ide ini akhirnya mengarah pada rumusan tujuan CRISPR.
Kita manusia terus-menerus melawan berbagai bakteri dan virus, jadi mungkin mengejutkan kita bahwa bakteri dan virus sendiri telah berjuang untuk kelangsungan hidup mereka sendiri selama miliaran tahun. Setiap hari, triliunan dan triliunan bakteri dibunuh oleh virus (virus yang menyerang bakteri disebut fag). Kebanyakan orang berhasil mengatasi fag mereka, sebagian besar berkat "senjata" yang kita miliki setelah ribuan tahun evolusi - kekebalan. Ternyata CRISPR adalah senjata yang sangat efektif yang dapat digunakan oleh sistem kekebalan tubuh.
Izinkan saya menjelaskan satu hal untuk menghindari kebingungan. Kami telah membahas sebelumnya bahwa CRISPR adalah deskripsi untaian DNA tertentu yang tidak biasa. Untuk menggunakan rantai ini sebagai mekanisme pertahanan atau untuk mengedit genom (lebih lanjut tentang itu nanti), Anda memerlukan alat yang disebut Cas. Jika Anda membaca tentang protein Cas, Anda mungkin juga melihat Cas9 (atau Cas3, dll.) Disebutkan. Set lengkap alat ini kadang-kadang disebut CRISPR / Cas, tetapi biasanya mereka hanya mengatakan CRISPR, yang saya tetap gunakan.
Mari kita bahas bagaimana semuanya bekerja. Ketika bakteri dengan CRISPR berhasil melawan serangan virus, mereka menggunakan protein Cas untuk menangkap fragmen DNA virus dan memasukkan fragmen tersebut ke dalam DNA mereka. Jika virus tidak cukup beruntung untuk menyerang bakteri yang dipersiapkan dengan baik, maka bakteri ini menggunakan rantai CRISPR sebagai pola untuk mengenali virus dan menggunakan Cas untuk memecah virus menjadi partikel yang tidak berbahaya.
Ini adalah mekanisme yang sangat keren. Protein Cas menyalin gen CRISPR virus dari DNA mereka sendiri ke dalam molekul RNA (seperti DNA, RNA sangat penting untuk merekam struktur genom), karena struktur yang terdiri dari protein Cas dan RNA terbentuk. Setelah pembuatannya, struktur ini mulai berkeliaran di sekitar sel. Ketika struktur ini bertabrakan dengan molekul lain, ia memeriksa apakah mengandung DNA dan, jika ditemukan, membaca urutan nukleotida. Jika urutan ini cocok dengan rantai CRISPR yang disimpan, maka virus yang diketahui telah ditemukan. RNA kemudian ditangkap dan enzim CAS membelah DNA virus seperti guillotine (atau membunuhnya jika Anda ingin menganggap virus itu hidup). Jika bagi Anda semua ini terdengar seperti semacam algoritme imunologi yang diterapkan oleh entitas dari biologi, maka Anda secara umum benar:
CRISPR.() // ( CRISPR.) CRISPR.cas9.() // CRISPR.cas9.() //
CRISPR.wander() - until encounter another molecule If (new molecule contains DNA and DNA matches CRISPR.dna) CRISPR.cas9.grab() // nab the viral dna CRISPR.cas9.chop() // kill the virus! continue
Keren, bukan? Menguraikan teka-teki ini dapat membuat pengarangnya meraih gelar doktor atau menjadikan asisten profesor menjadi profesor, tetapi sekarang Anda bahkan dapat memperoleh Hadiah Nobel untuk itu - lagipula, kita berbicara tentang penemuan yang dapat mengubah nasib umat manusia. Masalahnya adalah beberapa tim berbeda bekerja secara independen (dan sekarang mereka bersaing satu sama lain [2]), dan wawasan luar biasa turun dari masing-masing tim ini. Mereka menyadari bahwa sistem kekebalan, yang diciptakan sebagai hasil evolusi jutaan tahun, dapat merevolusi rekayasa genetika. Jika ilmuwan memiliki kesempatan untuk menggunakan mekanisme CRISPR, maka mereka dapat secara akurat mengisolasi dan memotong fragmen DNA individu. Selain itu, dengan bantuan CRISPR dan dua protein Cas9 yang berbeda, mereka akan dapat secara tepat memotong seluruh segmen dari struktur yang berubah-ubah. Tentu,ini hanya setengah dari tugas pengeditan genom. Setelah menghapus urutan yang tidak diinginkan, Anda perlu memasukkan gen yang kita butuhkan sebagai gantinya. Ternyata, ini sangat sederhana. Anda hanya perlu memperkenalkan gen yang Anda inginkan untuk mengganti fragmen yang terhapus, dan enzim restorasi yang sudah ada akan mengumpulkan semuanya sendiri.
Salah satu fitur paling keren dari CRISPR adalah serbaguna (tidak seperti kebanyakan metode pengeditan genom yang sudah ada - metode ini bekerja dengan organisme dalam jumlah terbatas). Secara teori, CRISPR dapat bekerja dengan segala bentuk kehidupan (terestrial).
Mari kita pikirkan sejenak tentang seberapa banyak yang bisa dilakukan CRISPR untuk masa depan umat manusia. Kami akan dapat menetralkan musuh kami di kerajaan hewan. Kami akan bisa mengobati penyakit genetik. Mungkin kita dapat mengembangkan terapi melawan penyakit virus atau bakteriologis, dan terapi ini bersifat individual dan sangat efektif. Mungkin kita bahkan bisa menemukan obat untuk kanker. Dan (atau mungkin kita harus mengatakan "tetapi") kita akan memiliki kesempatan untuk menciptakan orang "atas perintah individu", atau, dalam hal ini, bentuk kehidupan lainnya.
Inilah CRISPR - teknologi rekayasa genetika paling kuat yang pernah dibuat. Namun, CRISPR memungkinkan kita mengubah hanya satu gen dan hanya satu organisme dalam satu waktu. Untuk membuat perubahan di seluruh tingkat tampilan, CRISPR membutuhkan teknologi lain: Gene Drive. Pertama mari kita definisikan dan kemudian buat penyimpangan cepat tapi tepat dan bicarakan salah satu peretasan paling terkenal dalam sejarah pemrograman.
Konsep Gene Drive telah ada selama sekitar 15 tahun. Versi gen tertentu (juga dikenal sebagai alel) tersebar dari generasi ke generasi pada spesies yang bereproduksi secara seksual. Ini berarti bahwa alel diwarisi oleh masing-masing keturunan dengan probabilitas 50% (asalkan hanya satu induk yang memiliki versi khusus ini), karena separuh DNA keturunan berasal dari masing-masing induk. Jadi, jika kita memiliki alel untuk mata biru dan alel untuk coklat, maka mata anak Anda akan berwarna biru atau coklat dengan probabilitas 50%. Jelas bahwa terlepas dari faktor eksternal pada generasi berikutnya, alel akan ditransmisikan dengan probabilitas 25%, dan seterusnya. Faktor eksternal apa yang sedang kita bicarakan? Yang paling jelas adalah seleksi alam. Jika alel tertentu memberi pemiliknya keuntungan tertentu,kemudian nama-nama itu lebih mungkin untuk diteruskan ke populasi selanjutnya. Gene Drive adalah mekanisme yang membuat gen "egois", meningkatkan kemungkinan pewarisannya dengan probabilitas lebih dari 50%, terlepas dari pengaruh seleksi.
Ide ini sangat penting jika kita ingin menggunakan CRISPR untuk memberikan dampak yang besar pada seluruh populasi. Misalnya, untuk mengubah nyamuk agar tidak lagi menyebarkan malaria, kita tidak perlu menerapkan CRISPR pada jutaan nyamuk dan melihat bagaimana perubahan kita melemah dari generasi ke generasi (dengan asumsi perubahan ini tidak memberi manfaat pada spesies), tetapi gunakan Gene Drive, karena teknologi ini jauh lebih efisien dalam menyebarkan gen dalam suatu populasi. Di sinilah karakter baru muncul dalam cerita kita, Kevin Esvelt dari MIT. Ide Esvelt adalah menggunakan Gene Drive yang dikombinasikan dengan presisi luar biasa CRISPR. Karena itu, dia berhasil menciptakan teknologi Gene Drive paling kuat dalam sejarah.
Untuk memahami apa yang dia lakukan, mari kita sentuh dunia perangkat lunak. Pada tahun 1984, Ken Thompson, penemu sistem operasi Unix dan salah satu pemrogram terhebat sepanjang masa, menulis tentang [3] peretasan favoritnya. Mereka menulis virus rekursif brilian yang dapat menginfeksi semua infrastruktur Unix-OC. Ini bekerja seperti ini:
- Thompson pertama kali memodifikasi kode sumber program otorisasi Unix standar (ditulis dalam C). Ini diperlukan untuk membuat pintu belakang rahasia yang memungkinkan Anda menjadi pengguna mana pun di sistem.
jika (kata sandi == "kata sandi" atau kata sandi == "kata sandi khusus Ken")
pengguna yang sah
, jika (kata sandi == "kata sandi pengguna" atau kata sandi == "kata sandi khusus ken"),
pengguna Login.
Peretasan sederhana ini memberi Thompson akses penuh ke sistem Unix mana pun yang memiliki versi program login yang terpasang di dalamnya. Tetapi jelas bagi semua orang yang melihat kode sumber program ini.
- Kemudian (dan ini adalah momen yang benar-benar berbahaya) Thompson memodifikasi kode sumber kompiler C sehingga dapat mengenali kompilasi kode untuk login dan menyuntikkan kode virus ke dalam file yang dihasilkan, terlepas dari kode sumber mana yang dimasukkan. [4]
Dengan demikian, kode yang seharusnya membangun kembali seluruh kernel sistem Unix diubah untuk membuat versi OS yang diretas. Dan ini adalah analogi yang bagus tentang bagaimana Kevin Esvelt berhasil memecahkan DNA.
Esvelt menyadari bahwa DNA adalah penyusun kehidupan itu sendiri. Segala sesuatu dalam hidup, termasuk rantai CRISPR, dibuat oleh kompilator ini. Jadi, seperti Thompson, Esvelt menyadari bahwa Anda dapat memodifikasi kompiler itu sendiri untuk mengubah apa yang dikompilasinya (tidak peduli instruksi apa yang digunakan dalam program asli). Pertimbangkan deskripsi sederhana dari peretasan Esvelt:
- Buat rantai CRISPR yang akan diterapkan pada DNA embrio untuk membuat perubahan yang diinginkan. Sebagai contoh, mari kita ganti gen mata coklat dengan gen mata biru.
- CRISPR, , , . , , .
- , , CRISPR, , , . , ( CRISPR) , .
- . , !
Inilah inti dari Gene Drive. Apapun perubahan yang Anda buat, perubahan itu akan direproduksi pada semua keturunan dengan kemungkinan 100% [5]. Ini akan mengarah pada fakta bahwa sifat-sifat baru akan melewati genom seluruh spesies dengan kecepatan yang luar biasa.
Saat kami mencoba mengendalikan berbagai organisme (dari nyamuk hingga bakteri), akan ada banyak kegunaan dan aplikasi teknologi Gene Drive. Namun, mari kita bayangkan menerapkannya pada spesies kita. Beberapa orang mungkin berpendapat bahwa memodifikasi embrio manusia dengan cara ini adalah tidak bermoral. Politisi, pemimpin agama dan ahli etika akan menyatakan bahwa penggunaan CRISPR (terutama untuk mengubah kemanusiaan) adalah ilegal. Di sisi lain, mari kita pikirkan manfaatnya. Penyakit genetik bisa dihilangkan sama sekali sebelum bayi lahir. Selain itu, kita lebih baik dan lebih memahami struktur dan struktur genom - bayangkan saja semua manfaat yang dapat kita berikan kepada anak-anak kita (dan dengan bantuan Gene Drive - dan anak-anak dari anak-anak kita). Pikirkan tentang manfaatnya bagi masyarakat,mungkin kita dapat meningkatkan IQ semua anak sebesar 10 (atau 20, atau 30) poin.
Apa yang dapat mencegah dan menghentikan orang dari mengubah karakteristik populasi? Kembali ke contoh di atas, apa yang terjadi jika (dan jika) para ilmuwan memiliki pemahaman lengkap tentang dasar genetik dari kecerdasan tingkat lanjut? Apa yang akan mencegah pemerintah melarang perubahan dalam populasi mereka? Dan apa yang akan dipilih oleh pemerintah pesaing untuk dilakukan?
Kami di YCombinator sudah mulai berinvestasi di startup CRISPR, dan saya pikir kami akan mengembangkan arah ini. Penting untuk dipahami bahwa begitu "pemrogram" genetik mendapatkan akses ke kode kehidupan, tidak akan ada batasan. Variasi aplikasi (yang ada dan potensial) sangat mencolok saat ini. Para ilmuwan telah menggunakan CRISPR untuk mengubah genom kambing sehingga mereka menghasilkan sutera laba-laba (bahan yang sangat tidak biasa yang sulit diproduksi dalam jumlah besar) dalam susu mereka! CRISPR juga dapat mengobati hemofilia dan bahkan menggantikan antibiotik. Ilmuwan Cina telah menggunakan CRISPR untuk mengubah embrio manusia (yang tidak dapat hidup), dan kasus ini telah menimbulkan banyak kontroversi. Manusia yang diberdayakan CRISPR tidak sejauh yang terlihat.
Teknik dan teknologi untuk menerapkan CRISPR menjadi semakin baik. Mereka menjadi lebih akurat, dapat diprediksi, dan lebih murah. Kami belajar lebih banyak tentang kode genetik (sebagian karena fakta bahwa dengan CRISPR kami dapat melihat apa yang terjadi ketika kami mengeluarkan satu gen dan memasukkan yang lain sebagai gantinya). Teknologi tidak dapat dihentikan, dan ada satu kesimpulan yang tak terhindarkan: dalam waktu yang tidak terlalu lama lagi, kita akan dapat memprogram hampir semua makhluk seperti yang kita inginkan. Termasuk orang. Apakah kita akan menahan keinginan untuk merevisi definisi keberadaan manusia adalah pertanyaan terbuka. Menurut saya, langkah tegas dari sebagian orang atau masyarakat hanyalah masalah waktu.
Terima kasih kepada Sam Altman, Craig Cannon, Karen Leanne, dan John Ralston yang telah membaca dan mengomentari versi awal teks ini.
Tautan
RadioLab - Editor DNA Terobosan CRISPR
Lahir dari Bakteri - Majalah Quanta
Menulis Ulang Kode Kehidupan - The New Yorker, 2 Jan 2017 -
Teknologi Muncul Michael Spector : Mengenai drive gen yang dipandu RNA untuk perubahan populasi liar - Kevin M Esvelt, Andrea L Smidler, Flaminia Catteruccia, dan George M Church
CRISPR
Wiki Gene Drive Wiki
Catatan
- Jika Anda lebih suka mendengarkan daripada membaca, RadioLab memiliki podcast CRISPR luar biasa yang tersedia di sini.
- UC Berkeley dan BROAD Institute di Massachusetts adalah dua lawan utama dalam sengketa hak CRISPR. Garis waktu pekerjaan BROAD dapat dilihat di sini.
- Konsekuensi dari peretasan Ken Thompson sangat besar. Ini adalah esai klasik Thompson, “Refleksi tentang Apakah Kepercayaan Bisa Dilakukan,” dan ringkasan yang bagus dari temuannya.
- Jika Anda membaca tentang peretasan Thompson, Anda akan mengetahui bahwa dia benar-benar melangkah lebih jauh dan memodifikasi kompiler C sehingga dapat mengenali dirinya sendiri dan memasukkan kode pengenalan rutin otorisasi ke dalam program injeksi kode.
- Pernyataan ini tidak sepenuhnya benar untuk semua generasi. Terlepas dari kenyataan bahwa efisiensinya harus sangat tinggi pada awalnya, biologi sering kali memberikan kejutan kepada kita. Para peneliti telah menemukan bahwa organisme sebenarnya dapat mengembangkan resistensi terhadap Gene Drive (seperti resistensi antibiotik).
Ikuti berita YC Startup Library dalam bahasa Rusia di saluran Telegram atau di Facebook .