کریسپر1: قیچی مولکولی که دنیای زیست‌شناسی را متحول کرد
دی‌ان‌ای و ژن‌ها: کتاب دستورالعمل بدن
همه موجودات زنده، از انسان گرفته تا یک گل سرخ، یک کتاب دستورالعمل داخلی دارند که چگونه رشد کنند، چگونه کار کنند و چگونه به نظر برسند. این کتاب دستورالعمل، از مولکولی به نام دی‌ان‌ای2 ساخته شده است. ژن‌ها مانند فصل‌های خاصی از این کتاب هستند که دستورالعمل ساخت پروتئین‌ها را دارند. پروتئین‌ها هم بلوک‌های ساختمانی و هم ماشین‌های بدن هستند.
کریسپر چیست و چگونه کشف شد؟
کریسپر در واقع یک سیستم ایمنی باستانی در باکتری‌ها است! دانشمندان متوجه شدند باکتری‌ها تکه‌هایی از دی‌ان‌ای ویروس‌هایی که به آنها حمله کرده‌اند را در بخشی از ژنوم خود به نام کریسپر ذخیره می‌کنند. وقتی همان ویروس دوباره حمله کند، باکتری از این ذخیره برای شناسایی و نابودی دی‌ان‌ای ویروس استفاده می‌کند.
دانشمندان با الهام از این سیستم طبیعی، فناوری کریسپر-کاس۹ را توسعه دادند. این فناوری به ما اجازه می‌دهد تا به طور دقیق به هر نقطه‌ای از ژنوم یک سلول برویم و تغییرات مورد نظر خود را ایجاد کنیم، درست مانند یک پردازشگر متن که می‌تواند یک کلمه خاص را در یک سند پیدا کرده و ویرایش کند.
| ویژگی | سیستم ایمنی باکتری | فناوری کریسپر-کاس۹ |
|---|---|---|
| کاربر | باکتری | دانشمندان |
| هدف | دی‌ان‌ای ویروس‌های مهاجم | هر قسمتی از دی‌ان‌ای در هر سلولی |
| ابزار برش | پروتئین کاس | پروتئین کاس۹ |
| نقشه راهنما | آران‌ای5 ساخته شده از توالی‌های کریسپر | آران‌ای راهنما6 طراحی شده توسط دانشمندان |
قیچی مولکولی چگونه کار می‌کند؟
سیستم کریسپر-کاس۹ از دو بخش اصلی تشکیل شده است:
- پروتئین کاس۹3: این بخش مانند یک قیچی مولکولی بسیار دقیق عمل می‌کند که می‌تواند دی‌ان‌ای را برش دهد.
- آران‌ای راهنما6: این بخش مانند یک سگ جستجوگر است که به قیچی می‌گوید دقیقاً کجا را برش دهد. این مولکول یک توالی کوتاه و از پیش طراحی شده دارد که مکمل توالی دی‌ان‌ای هدف است.
وقتی این دو بخش به سلول تحویل داده می‌شوند، آران‌ای راهنما درون سلول به دنبال توالی دقیق دی‌ان‌ای که با آن مطابقت دارد می‌گردد. وقتی آن را پیدا کرد، به آن متصل می‌شود. سپس پروتئین کاس۹ فعال شده و دی‌ان‌ای را در آن نقطه خاص برش می‌دهد.
$(Cas9) + (gRNA) + (DNA Target) \rightarrow (Cut DNA)$
در این فرمول، gRNA همان آران‌ای راهنما است.
کاربردهای شگفت‌انگیز کریسپر در دنیای واقعی
این فناوری در حوزه‌های مختلفی در حال انقلاب ایجاد کرده است:
- درمان بیماری‌ها: دانشمندان در حال کار بر روی درمان بیماری‌های ژنتیکی مانند کم‌خونی داسی‌شکل و فیبروز سیستیک هستند. ایده این است که سلول‌های بیمار از بدن خارج شده، ژن معیوب با کریسپر اصلاح شده و سپس سلول‌های سالم به بدن بازگردانده شوند.
- کشاورزی: می‌توان محصولات زراعی را برای مقاومت در برابر آفات، خشکی یا برای افزایش ارزش غذایی آنها ویرایش کرد. برای مثال، ایجاد قارچی که پس از برش قهوه‌ای نمی‌شود.
- پژوهش‌های پایه: دانشمندان می‌توانند عملکرد هزاران ژن مختلف را به سرعت مطالعه کنند تا بفهمند هر کدام دقیقاً چه کاری انجام می‌دهند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
این یکی از بحث‌برانگیزترین جنبه‌های کریسپر است. در حالی که از نظر فنی ممکن است، اما این کار در بسیاری از کشورها به دلایل اخلاقی شدیداً ممنوع است. ویرایش ژنوم جنین‌های انسانی (سلول‌های زایا7) می‌تواند تغییرات دائمی را به نسل‌های آینده منتقل کند که عواقب غیرقابل پیش‌بینی دارد. جامعه علمی بر استفاده از این فناوری برای درمان بیماری‌ها در افراد بیمار (سلول‌های سوماتیک8) متمرکز است، نه برای "بهبود" انسان.
خیر. یکی از بزرگترین چالش‌های کنونی، برش‌های "خارج از هدف"9 است. این زمانی اتفاق می‌افتد که سیستم کریسپر به اشتباه قسمتی از دی‌ان‌ای را که بسیار شبیه به هدف مورد نظر است، برش دهد. این می‌تواند منجر به جهش‌های ناخواسته شود. دانشمندان در حال توسعه نسخه‌های دقیق‌تر و "قیچی‌های" جدیدی مانند کاس۱۲ و کاس۱۳ هستند تا این خطا را به حداقل برسانند.
مهندسی ژنتیک سنتی مانند وارد کردن یک پاراگراف کامل و جدید به طور تصادفی در کتاب دستورالعمل بدن است. اما کریسپر مانند استفاده از یک ویژگی پیدا و جایگزین بسیار دقیق است که به شما امکان می‌دهد یک حرف غلط خاص (جهش) را در یک فصل خاص (ژن) تصحیح کنید. کریسپر بسیار هدفمندتر، سریع‌تر و ارزان‌تر است.
پاورقی
1کریسپر (CRISPR): Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (تکرارهای کوتاه پالیندروم فاصله‌دار منظم خوشه‌ای).
2دی‌ان‌ای (DNA): DeoxyriboNucleic Acid (اسید دئوکسی ریبونوکلئیک). مولکول حاوی اطلاعات ژنتیکی.
3کاس۹ (Cas9): CRISPR-associated protein 9 (پروتئین مرتبط با کریسپر ۹). آنزیم برش‌دهنده دی‌ان‌ای.
4جهش (Mutation): هرگونه تغییر در توالی دی‌ان‌ای یک سلول.
5آران‌ای (RNA): RiboNucleic Acid (اسید ریبونوکلئیک). مولکولی که در انتقال اطلاعات ژنتیکی نقش دارد.
6آران‌ای راهنما (gRNA): guide RNA. مولکول آران‌ای ترکیبی که کاس۹ را به سمت توالی دی‌ان‌ای هدف هدایت می‌کند.
7سلول‌های زایا (Germline Cells): سلول‌های تولیدمثلی (اسپرم و تخمک) که تغییرات در آنها به نسل بعد منتقل می‌شود.
8سلول‌های سوماتیک (Somatic Cells): همه سلول‌های بدن به جز سلول‌های زایا. تغییرات در آنها به نسل بعد منتقل نمی‌شود.
9برش خارج از هدف (Off-target effect): برش ناخواسته دی‌ان‌ای در مکانی غیر از هدف مورد نظر.