Jennifer Doudna og Emmanuelle Charpentier deler Nobelprisen i kemi i 2020 for deres opdagelse af en revolutionerende genredigeringsteknik.Credit: Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
Det er CRISPR. To forskere, der var pionerer inden for den revolutionerende genredigeringsteknologi, er vinderne af årets Nobelpris i kemi.
Nobelkomitéens valg af Emmanuelle Charpentier, der nu arbejder ved Max Planck Unit for the Science of Pathogens i Berlin, og Jennifer Doudna, der arbejder ved University of California, Berkeley, sætter en stopper for mange års spekulationer om, hvem der ville blive anerkendt for deres arbejde med at udvikle CRISPR-Cas9-genredigeringsværktøjet. Teknologien gør det muligt at foretage præcise redigeringer af genomet og har været i laboratorier verden over, siden den blev indført i 2010’erne. Den har utallige anvendelsesmuligheder: Forskere håber at kunne bruge den til at ændre menneskelige gener for at fjerne sygdomme, skabe mere hårdføre planter, udrydde patogener og meget mere.
“Evnen til at skære DNA, hvor man vil, har revolutioneret biovidenskaberne”, sagde Pernilla Wittung Stafshede, en biofysisk kemiker og medlem af Nobelkomitéen for kemi, ved prisuddelingen. “Den ‘genetiske saks’ blev opdaget for blot otte år siden, men den har allerede været til stor gavn for menneskeheden.”
Doudna og Charpentier og deres kolleger har udført et afgørende tidligt arbejde med at karakterisere systemet, men flere andre forskere er blevet citeret – og anerkendt i andre højtprofilerede priser – som vigtige bidragydere til udviklingen af CRISPR. De omfatter Feng Zhang ved Broad Institute of MIT and Harvard i Cambridge, Massachusetts, George Church ved Harvard Medical School i Boston, Massachusetts, og biokemiker Virginijus Siksnys ved Vilnius University i Litauen (se “CRISPR’s mange pionerer”).
Doudna “sov virkelig dybt”, da hendes summende telefon vækkede hende, og hun modtog et opkald fra en Nature-reporter, der bragte nyheden. “Jeg er vokset op i en lille by på Hawaii, og jeg ville aldrig i 100 millioner år have forestillet mig, at dette kunne ske,” siger Doudna. “Jeg er virkelig lamslået, jeg er bare fuldstændig i chok.”
“Jeg kender så mange vidunderlige videnskabsmænd, som aldrig vil modtage dette, af årsager, der ikke har noget at gøre med, at de er vidunderlige videnskabsmænd,” siger Doudna. “Jeg er virkelig ydmyg.”
Født af bakterier
CRISPR, der er en forkortelse for clustered regularly interspaced short palindromic repeats, er et mikrobielt “immunsystem”, som prokaryoter – bakterier og arkæer – bruger til at forhindre infektion med virus kaldet phager. CRISPR-systemet giver prokaryoter i sin kerne evnen til at genkende præcise genetiske sekvenser, der passer til en fage eller andre angribere, og målrette disse sekvenser til destruktion ved hjælp af specialiserede enzymer.
Det tidligere arbejde havde identificeret disse enzymer, kendt som CRISPR-associerede proteiner (Cas), herunder et af dem kaldet Cas9. Men Charpentier, der først arbejdede på universitetet i Wien og senere på Umeå Center for Microbial Research i Sverige, identificerede en anden nøglekomponent i CRISPR-systemet, et RNA-molekyle, der er involveret i genkendelse af fage-sekvenser, i bakterien Streptococcus pyogenes, som kan forårsage sygdom hos mennesker.
Charpentier rapporterede om opdagelsen i 2011 og indledte samme år et samarbejde med Doudna. I en skelsættende artikel i Science1 fra 2012 isolerede duoen komponenterne i CRISPR-Cas9-systemet, tilpassede dem til at fungere i reagensglasset og viste, at systemet kunne programmeres til at skære bestemte steder i isoleret DNA. Deres programmerbare genredigeringssystem har inspireret en guldfeber af utallige anvendelser inden for medicin, landbrug og grundforskning – og arbejdet fortsætter med at finjustere og forbedre CRISPR og identificere andre genredigeringsværktøjer.
“Vi håbede, at vi virkelig kunne omsætte dette til en teknologi til at omskrive den genetiske kode i celler og organismer”, siger Martin Jinek, en biokemiker ved universitetet i Zürich, som var postdoc i Doudnas laboratorium og medforfatter på den afgørende artikel i Science. “Det, vi ikke helt forstod, var, hvor hurtigt teknologien ville blive vedtaget af andre på området og derefter skubbet fremad.”
CRISPR’s mange pionerer
Der ville ikke være noget CRISPR uden Francisco Mojica. Mikrobiologen fra universitetet i Alicante i Spanien var med til at give systemet sit navn. I 1993 identificerede Mojica ejendommelige gentagne DNA-sekvenser i archaeonen Haloferax’ genom. Senere viste han, at lignende sekvenser var udbredt i prokaryoter og matchede genetisk materiale i phager, virus, der inficerer bakterier.
I 2005 opstillede Mojica den hypotese, at disse sekvenser var en del af et mikrobielt immunsystem. Sammen med Ruud Jansen fra Utrecht University i Nederlandene fandt Mojica frem til det nu Nobelprisbelønnede akronym: CRISPR, en forkortelse for clustered regularly interspaced short palindromic repeats. For sit arbejde med CRISPR delte Mojica i 2017 medicinprisen på 500.000 USD fra Albany Medical Center med Charpentier, Doudna, Feng Zhang og Luciano Marraffini fra Rockefeller University i New York.
Doudna og Charpentier var ikke de eneste forskere, der indså, at CRISPR-systemet kunne programmeres til at klippe andre stykker DNA. I 2012 – omkring det tidspunkt, hvor duoen offentliggjorde deres eksperimenter, der viste, at CRISPR-Cas9-systemet kunne skære isoleret DNA – viste et hold under ledelse af biokemiker Virginijus Šikšnys ved Vilnius Universitet i Litauen, hvordan Cas9-enzymet kunne instrueres til at skære foruddefinerede DNA-sekvenser. I 2018 delte Šikšnys Kavli-prisen i nanovidenskab med Doudna og Charpentier.
Nobelkomitéens beslutning om ikke at inkludere Zhang var en af de største overraskelser. Genetikeren er sammen med Charpentier og Doudna almindeligvis blevet nævnt som den trio, der har størst sandsynlighed for at vinde en Nobelpris for CRISPR. Zhangs hold modificerede i en artikel i Science fra begyndelsen af 2013 CRISPR-Cas9-systemet til at foretage præcise nedskæringer af genomet i menneske- og museceller. Churchs hold beskrev arbejdet med at skære DNA i menneskelige celler omkring samme tid.
Jin-Soo Kim, der er genomingeniør ved Institute for Basic Science i Daejeon, Sydkorea, og en af de første til at tilpasse CRISPR til genomredigering i en række forskellige celler, siger, at selv om han er begejstret over meddelelsen om Nobelprisen, var han overrasket over, at biokemiker Dana Carroll ved University of Utah i Salt Lake City blev overset. Carroll udviklede metoder til at anvende andre enzymer, såkaldte zinkfingernukleaser, til at redigere genomer, længe før CRISPR’s tid.
Og selv om CRISPR er lettere at bruge end zinkfingernukleaser, siger Kim, at han anser Carroll for at være grundlæggeren af genomredigeringsområdet. “Der er ingen tvivl om, at Doudna og Charpentier fortjener anerkendelse”, siger han. “Men uden demonstrationen af genomredigering via zinkfingernukleaser var der ikke mange, der kunne have forestillet sig brugen af CRISPR-Cas9 til genomredigering.”
Ræset om kommercialisering
I løbet af mindre end et årti har forskere brugt CRISPR-Cas9 til at udvikle genomredigerede afgrøder, insekter, genetiske modeller og eksperimentelle menneskelige terapier. Der er kliniske forsøg i gang med at bruge teknikken til behandling af seglcelleanæmi, arvelig blindhed og kræft. Doudna, Charpentier og andre på området har lanceret en generation af bioteknologiske virksomheder, der har til formål at udvikle teknikken for at nå disse mål.
Men teknologien har også skabt kontroverser – især i forbindelse med dens nye anvendelser i menneskelige celler. I november 2018 meddelte den kinesiske biofysiker He Jiankui, at der var blevet født tvillingepiger fra embryoner, som han og hans kolleger havde redigeret ved hjælp af CRISPR-Cas9. Nyheden udløste et ramaskrig: Redigering af embryoner giver anledning til en lang række etiske, sociale og sikkerhedsmæssige betænkeligheder, og mange forskere verden over fordømte hurtigt He’s arbejde.
I september konkluderede et internationalt panel, der var indkaldt af førende videnskabelige selskaber i USA og Det Forenede Kongerige, at teknologien ikke er klar til at blive anvendt på menneskelige embryoner, der er bestemt til implantation.
Arbejdet udløste også en voldsom patentkamp – hovedsageligt mellem Broad Institute og University of California, Berkeley – som den dag i dag rumler om, hvem der ejer de lukrative intellektuelle ejendomsrettigheder til CRISPR-Cas9-genomredigering.
Så er Church alligevel enig i, hvordan prisen blev fordelt. Selv om han er stolt af arbejdet i sit laboratorium og Zhangs laboratorium – som tilpassede systemet til at fungere i pattedyrceller, hvilket åbner døren til modellering og potentiel behandling af sygdomme hos mennesker – siger Church, at dette arbejde kan klassificeres som ingeniørarbejde og opfindelse snarere end videnskabelig opdagelse. “Jeg synes, det er et godt valg,” siger han.
Det er altid svært at udvælge en opdagelse til en pris, siger Francis Collins, genetiker og leder af US National Institutes of Health i Bethesda, Maryland. “Stort set intet kommer ud af ingenting”, siger han. “Det er svært at beslutte, hvem man skal vælge, når man ser på en hvilken som helst opdagelse.”
Men et unikt aspekt af CRISPR-Cas9-genomredigering har været den lethed og alsidighed, hvormed teknikken er blevet anvendt, tilføjer han. “CRISPR-Cas har gjort det så meget lettere at acceptere”, siger Collins. “Der er ikke noget molekylærbiologisk laboratorium, som jeg kender, der ikke er begyndt at arbejde med CRISPR-Cas.”