Duo van vrouwen krijgt Nobelprijs voor Scheikunde voor ontwikkeling "genetische schaar" CRISPR

Opmerkelijk is dat de prijs dit jaar naar twee vrouwen gaat: Charpentier en Doudna zijn nog maar de zesde en de zevende vrouw die sinds 1901 een Nobelprijs voor Scheikunde krijgen. 

In deze video leggen we je klaar en duidelijk uit wat CRISPR precies is (lees eronder voort):

De CRISPR-Cas9-techniek, een 'genetische schaar', opent een hele reeks mogelijkheden, zegt het Nobelcomité. Met CRISPR-Cas9 kan men het DNA van dieren, planten en micro-organismen veranderen met een zeer grote precisie. Om te ontdekken welke rol bepaalde genen spelen, moeten onderzoekers ze kunnen veranderen of uitschakelen. Vroeger was dit erg tijdrovend en moeilijk, en soms zelfs onmogelijk, terwijl het nu mogelijk is de code van het leven te veranderen in enkele weken. 

Hoewel de techniek nog vrij recent is, is het duidelijk dat ze al een revolutionaire impact heeft gehad op de biowetenschappen. In fundamenteel onderzoek heeft ze bijgedragen tot een groot aantal belangrijke ontdekkingen en plantendeskundigen hebben er nieuwe variëteiten van teeltplanten mee kunnen ontwikkelen die beter bestand zijn tegen schimmels, insectenplagen en droogte.

CRISPR-Cas9 heeft ook bijgedragen en draagt nog steeds bij tot nieuwe kankertherapieën en kan mogelijk ooit de droom waarmaken erfelijke ziekten te genezen, zegt het comité. Daar wordt nu volop onderzoek naar gedaan. 

"Er zit een enorme kracht in dit genetische werktuig, die ons allemaal beïnvloedt", zei Claes Gustafsson, de voorzitter van het Nobelcomité voor Scheikunde. "Het heeft niet alleen een revolutie teweeggebracht in de fundamentele wetenschap maar het heeft ook vernieuwende teeltplanten voortgebracht en het zal leiden tot baanbrekende nieuwe medische behandelingen."

De prijs bestaat uit een gouden medaille en 10 miljoen Zweedse kronen, zowat 1 miljoen euro. Dat bedrag wordt gedeeld door de twee laureaten.

Emmanuelle Charpentier is in 1968 geboren in Juvisy-sur-Orge. Ze behaalde haar doctoraat in 1995 aan het institut Pasteur in Parijs en heeft in tien verschillende wetenschappelijke instellingen gewerkt. Ze is directeur van de Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene in Berlijn.

Jennifer A. Doudna werd in 1964 geboren in Washington D.C. Ze kreeg haar doctorstitel van de Harvard Medical School in Boston on 1989. Ze is professor aan de University of California, Berkeley en onderzoeker aan het Howard Hughes Medical Institute in Chevy Chase in Maruland

CRISPR-Cas9 is in feite een verdedigingssysteem van een streptokok-bacterie tegen bacteriofagen, virussen die bacteriën aanvallen. Telkens als de bacterie een aanval van een virus overleeft, slaat ze een stukje DNA van het virus op in haar genoom - het geheel aan genetische informatie. Als hetzelfde virus dan later opnieuw die bacterie aanvalt, herkent het verdedigingssysteem dat virus dankzij het opgeslagen stukje DNA en maakt het het virus onschadelijk door het DNA in tweeën te knippen.

Onderzoekers kunnen dat systeem gebruiken om in DNA te knippen en er eventueel ander DNA in in te brengen.

En zoals wel vaker het geval is bij wetenschappelijke doorbraken, was de ontdekking ervan onverwacht en speelde het toeval er een rol bij. Maar zoals een van de favoriete citaten van Emmanuelle Charpentier zegt, een citaat van Louis Pasteur: "Toeval begunstigt alleen voorbereide geesten". 

De Franse onderzoekster Emmanuelle Charpentier is gefascineerd door pathogene - ziekteverwekkende - bacteriën en hoewel ze in tien verschillende instellingen gewerkt heeft, spitst het grootste deel van haar onderzoeken zich overal toe op deze bacteriën. Waarom zijn ze zo agressief, hoe ontwikkelen ze weerstand tegen antibiotica en kunnen we nieuwe behandelingen vinden, het zijn vragen die haar bezighouden. 

In 2002 richt ze haar eigen onderzoeksgroep op aan de Universität Wien en ze focust zich op een van de bacteriën die de mensheid het meeste schade toebrengen: Streptococcus pyogenes. Die bacterie besmet elk jaar miljoenen mensen en veroorzaakt vaak makkelijk te behandelen infecties als amandelontstekingen en impetigo, een ontsteking van de huid. 

Maar de bacterie kan ook levensbedreigende sepsis - bloedvergiftiging - veroorzaken en zacht weefsel in het lichaam afbreken, wat haar de bijnaam 'vleesetende bacterie' heeft opgeleverd. 

Om meer te weten te komen over S. pyogenes, begint Charpentier een doorgedreven onderzoek naar hoe de genen van de bacterie gereguleerd worden en dat blijkt de eerste stap te zijn naar haar ontdekking van de genetische schaar. 

Intussen hoort Jennifer Doudna duizenden kilometer ver weg voor het eerst een afkorting waarvan ze denkt dat die klinkt als crisper, het groentevak in de ijskast waarin voedsel lekker krokant blijft.  

Jennifer Doudna is tijdens haar jeugd in Hawaï al erg leergierig en als ze van haar vader het boek 'The Double Helix' van James Watson krijgt, wordt haar belangstelling voor de wetenschap nog aangewakkerd door het op een detectiveroman lijkende verhaal van de ontdekking van de structuur van DNA door James Watson en Francis Crick.

Als ze echter haar wetenschappelijke carrière begint, richt ze haar aandacht niet op DNA maar op zijn moleculaire broertje, RNA. In 2006 leidt ze een onderzoeksgroep aan de University of California, Berkeley, en heeft ze al 20 jaar ervaring in onderzoek naar RNA. 

Ze heeft de reputatie een succesvol onderzoeker te zijn met een goede neus voor baanbrekende projecten en ze was pas begonnen in een opwindend nieuw onderzoeksveld: RNA-interferentie.   

Onderzoekers dachten al jarenlang dat ze de basisfuncties van RNA wel kenden en begrepen, maar toen ontdekten ze ineens een heleboel kleine RNA-moleculen die de genetische activiteit in cellen hielpen reguleren. Dat werd RNA-interferentie genoemd en Doudna's betrokkenheid bij dat nieuwe onderzoeksveld is de reden waarom ze in 2006 een telefoontje krijgt van een collega uit een andere afdeling.  

Haar collega aan de telefoon, een microbioloog, vertelt Doudna over een nieuwe ontdekking: als onderzoekers het genetisch materiaal vergelijken van volkomen verschillende bacteriën, en zelfs van archaea, eencellige micro-organismen, vinden ze zich herhalende DNA-sequenties die verbazend goed bewaard zijn. Dezelfde code komt telkens en telkens weer voor, maar tussen de herhalingen zitten unieke sequenties die verschillen. Het is alsof hetzelfde woord in een boek herhaald wordt tussen unieke zinnen. 

Die reeksen van herhaalde sequenties worden clustered regularly interspaced short palindromic repeats genoemd,  en dat wordt afgekort tot CRISPR. 

Interessant daaraan is dat de unieke, niet repetitieve sequenties in CRISPR lijken overeen te komen met de genetische code van verschillende virussen, zodat onderzoekers denken dat dit één deel is van een oud immuunsysteem dat bacteriën en archaea beschermt tegen virussen. De hypothese is dat als een bacterie erin geslaagd is een virusinfectie te overleven, ze een stuk van de genetische code van het virus aan haar genoom toevoegt als 'herinnering' aan de infectie. 

Niemand weet al hoe dit allemaal werkt, zegt haar collega, maar vermoed wordt dat het mechanisme dat de bacterie gebruikt om een virus te neutraliseren, gelijkt op wat Doudna aan het bestuderen is: RNA-interferentie. 

Het nieuws is zowel opmerkelijk als spannend. Als het waar is dat bacteriën een oud immuunsysteem hebben, is dat groot nieuws. Jennifer Doudna's nieuwsgierigheid is geprikkeld en ze begint alles wat ze kan te leren over het CRISPR-systeem.

Het blijkt dat onderzoekers, naast de CRISPR-sequenties, nog speciale genen hebben ontdekt die ze CRISPR-associated genoemd hebben, afgekort tot cas.  Wat Doudna daar interessant aan vindt, is dat die genen erg gelijken op genen die coderen voor reeds bekende proteïnen - eiwitten - die gespecialiseerd zijn in het ontrollen en in stukken knippen van DNA. Hebben deze eiwitten dezelfde functie? Splijten ze het DNA van virussen?

Doudna zet haar onderzoeksgroep aan het werk en na enkele jaren zijn de onderzoekers erin geslaagd de functie van een aantal verschillende Cas-eiwitten te achterhalen. 

Tegelijkertijd bestuderen een handjevol andere onderzoeksgroepen aan andere universiteiten het pas ontdekte CRISPR/Cas-systeem. 

Hun resultaten tonen aan dat het immuunsysteem van bacteriën verschillende vormen kan aannemen. Het CRISPR/Cas-systeem dat Doudna bestudeert, behoort tot klasse 1: het is een ingewikkelde machinerie die veel verschillende Cas-eiwitten nodig heeft om een virus onschadelijk te maken.

De klasse 2-systemen zijn beduidend eenvoudiger omdat ze minder eiwitten vereisen. En Emmanuelle Charpentier is net met zo'n systeem in aanraking gekomen. 

(lees voort onder de illustratie)

Emmanuelle Charpentier is in 2009 verhuisd van Wenen naar de Umeå Universitet in het noorden van Zweden. De lange, donkere wintermaanden daar geven haar veel rust en tijd om haar onderzoeken voort te zetten en dat is ook nodig. 

Charpentier is ook geïnteresseerd in kleine RNA-moleculen die genen reguleren, en in samenwerking met onderzoekers in Berlijn heeft ze de kleine RNA's in kaart gebracht die gevonden worden bij Staphilococcus pyogenes. De resultaten hebben haar veel stof tot nadenken gegeven want een van de kleine RNA-moleculen die in grote aantallen wordt gevonden in de bacterie, is een tot dan toe onbekende variant. De genetische code van die RNA-variant ligt zeer dicht bij de CRISPR-sequentie die eigen is aan het genoom van de bacterie. 

De gelijkenissen tussen de twee doen Charpentier vermoeden dat ze met elkaar verbonden zijn. Een zorgvuldige analyse van hun genetische codes brengt aan het licht dat een deel van de kleine, onbekende RNA-molecule overeenstemt met het deel van CRISPR dat herhaald wordt. Het is alsof de onderzoekers twee stukken van een puzzel vinden die perfect in elkaar passen. 

Charpentier had nog nooit eerder met CRISPR gewerkt, maar haar onderzoeksgroep begint met grondig microbiologisch detectivewerk om het CRISPR-systeem in S. pyogenes in kaart te brengen.  Van het systeem, dat behoort tot klasse 2 van de bacteriologische immuunsystemen, was al bekend dat het slechts een enkel Cas-eiwit, Cas9, nodig had om het DNA van virussen te splijten. 

Charpentier toont aan dat de onbekende RNA-molecule, die trans-activating crispr RNA (tracrRNA) genoemd wordt, ook een doorslaggevende rol speelt: ze is nodig om de lange RNA-streng die gevormd wordt uit de CRISPR-sequentie in het genoom, te laten doorgroeien tot zijn actieve vorm. 

Na intensieve en gerichte experimenten publiceert Charpentier de ontdekking van tracrRNA in maart 2011. Ze weet dat ze iets opwindends op de hielen zit. 

Zelf heeft ze vele jaren ervaring in microbiologie en in haar voortdurende onderzoek van het CRISPR-Cas9-systeem wil ze samenwerken met een biochemicus. Jennifer Doudna lijkt de beste keuze en als Charpentier in die lente uitgenodigd wordt om op een conferentie in Puerto Rico haar bevindingen uiteen te zetten, is het haar doel om de bedreven onderzoekster uit Berkeley te ontmoeten.

Toevallig ontmoeten de twee vrouwen elkaar op de tweede dag van de conferentie in een café. Een collega van Doudna stelt hen aan elkaar voor en de volgende dag stelt Charpentier voor om samen de oude wijken van de hoofdstad te verkennen. Terwijl ze door de kasseistraten kuieren, beginnen ze over hun onderzoek te praten en Charpentier vraagt zich af of Doudna geïnteresseerd is in een samenwerking - zou ze willen deelnemen aan het onderzoek naar de functie van Cas9 in het eenvoudige klasse 2-immuunsysteem van S. pyogenes?

Jennifer Doudna is geïntrigeerd en de beide vrouwen en hun collega's maken plannen voor het project via digitale meetings. Ze vermoeden dat CRISPR-RNA nodig is om het virus-DNA te identificeren en dat Cas9 de schaar is die de DNA-molecule verknipt. Als ze dit in vitro - in een proefopstelling 'in glas' in het labo - uittesten, gebeurt er echter niets, de DNA-molecule blijft intact. Waarom? Is er iets mis met de omstandigheden van het experiment? Of heeft Cas9 dan toch een volledig andere functie?

Na heel wat brainstormsessies en talrijke mislukte experimenten voegen de onderzoekers uiteindelijk tracrRNA toe aan hun testen. Eerder dachten ze dat tracrRNA enkel nodig was als het CRISPR-RNA in zijn actieve vorm werd gebracht, maar eens Cas9 toegang had tot het tracrRNA, gebeurde eindelijk waar iedereen op wachtte: de DNA-molecule werd in twee delen gekliefd. 

Evolutionaire oplossingen hebben al vaak onderzoekers voor verrassingen geplaatst, maar dit was iets buitengewoons. Het wapen dat streptokokken ontwikkeld hadden om zich te beschermen tegen virussen, is eenvoudig en effectief, zelfs briljant. 

De geschiedenis van de genetische schaar had hier kunnen eindigen, Charpentier en Doudna hadden een fundamenteel mechanisme blootgelegd in een bacterie die de mensheid veel ellende bezorgt. Die ontdekking was op zich al verbazingwekkend, maar, zoals gezegd, het toeval begunstigt voorbereide geesten. 

De onderzoekers beslissen dat ze willen proberen de genetische schaar eenvoudiger te maken. Dankzij hun nieuwe kennis over tracrRNA en CRISPR-RNA achterhalen ze hoe ze de twee kunnen laten fuseren tot een  enkele molecule, die ze guide RNA (gids-RNA) noemen. 

Met deze vereenvoudigde variant van de genetische schaar voeren ze vervolgens een experiment uit dat geschiedenis zal schrijven: ze onderzoeken of ze dit genetische instrument zo kunnen controleren dat het het DNA in tweeën knipt op een plaats die de onderzoekers bepaald hebben. 

De onderzoekers weten nu dat ze dicht bij een grote doorbraak staan. Ze nemen een gen dat al in een diepvriezer in het laboratorium van Doudna zit en kiezen vijf verschillende plaatsen uit waar het gen gekliefd moet worden. 

Vervolgens passen ze het CRISPR-gedeelte van de schaar aan zodat de code ervan overeenkomt met de code op de plaats waar ze willen dat er geknipt wordt. Het resultaat was overdonderend: de DNA-moleculen werden precies op de juiste plaatsen gesplitst. 

(lees voort onder de illustratie)

Kort nadat Emmanuelle Charpentier en Jennifer Doudna hun ontdekking van de CRISPR/Cas9 genetische schaar gepubliceerd hebben in 2012, tonen verschillende onderzoeksgroepen aan dat dit werktuig gebruikt kan worden om het genoom in cellen van zowel muizen als mensen te veranderen en dat leidt tot een explosieve ontwikkeling. 

Vroeger kostte het enorm veel tijd om de genen in een cel, plant of ander organisme te modificeren, en soms was het zelfs onmogelijk. Met de genetische schaar kunnen onderzoekers - in principe - knippen geven in welk genoom ze ook maar willen. Daarna is het gemakkelijk om de natuurlijke systemen van de cel voor het herstellen van DNA, te gebruiken zodat ze de code van het leven herschrijven. 

Omdat dit genetische werktuig zo makkelijk te gebruiken is, is het nu wijd verspreid in het fundamenteel onderzoek. Het wordt gebruikt om het DNA van cellen en proefdieren te veranderen met als doel te ontdekken hoe verschillende genen functioneren en met elkaar interageren, zoals bijvoorbeeld tijdens het verloop van een ziekte. 

De genetische schaar is ook een standaardwerktuig geworden bij het kweken van planten. 

De methoden die vroeger gebruikt werden door onderzoekers om planten te modificeren, vereisten dikwijls dat er genen voor antibiotische weerstand werden toegevoegd. Als die variëteiten dan geplant werden, bestond het risico dat die weerstand tegen antibiotica zich zou verspreiden naar micro-organismen in de buurt. Dankzij de genetische scharen moeten onderzoekers die oudere methoden niet meer gebruiken, aangezien ze nu zeer precies veranderingen kunnen aanbrengen in het genoom.

Zo hebben ze onder andere de genen aangepast die maken dat rijst zware metalen uit de bodem opneemt, wat verbeterde rijstvariëteiten heeft opgeleverd met lagere niveaus van cadmium en arsenicum. Onderzoekers hebben ook teeltplanten ontwikkeld die beter tegen de droogte bestand zijn in een warm klimaat, en die weerstaan aan insecten en andere plagen waarvoor men anders pesticiden zou hebben moeten gebruiken. 

In de geneeskunde draagt der genetische schaar bij aan nieuwe immuuntherapieën tegen kanker en er zijn proeven bezig om een oude droom waar te maken: het genezen van erfelijke ziektes. 

Er lopen al klinische tests om na te gaan of CRISPR/Cas9 gebruikt kan worden om bloedziektes zoals sikkelcelanemie en beta thalassemie te behandelen, en ook voor erfelijke oogaandoeningen.

Onderzoekers ontwikkelen ook methodes om genen te herstellen in grote organen, zoals de hersenen en de spieren. Dierproeven hebben aangetoond dat speciaal ontworpen virussen de genetische schaar bij de gewenste cellen kunnen afleveren, waarbij in modellen vreselijke erfelijke ziektes als de spierziekten musculaire dystrofie en spinale musculaire atrofie en de neurodegeneratieve ziekte van Huntington behandeld worden. Die technologie moet echter nog voort verfijnd worden voor ze getest kan worden op mensen. 

Zoals zowat alles kan de genetische schaar niet alleen ten goede gebruikt worden, maar ze kan ook misbruikt worden. 

Het werktuig kan bijvoorbeeld gebruikt worden om genetisch gemodificeerde embryo's te maken. Er zijn echter al jarenlang wetten en voorschriften die de toepassing van genetische technologie regelen, en daartoe behoort een verbod op het veranderen van het menselijk genoom op een manier die toelaat dat de veranderingen geërfd zouden kunnen worden. 

Daarnaast is het ook zo dat alle experimenten op mensen en dieren onderzocht en goedgekeurd moeten worden door ethische comissies voor ze uitgevoerd worden. 

Een ding is zeker volgens het Nobelcomité: de genetische schaar zal ons allen beïnvloeden. We zullen geconfronteerd worden met nieuwe ethische vragen, maar dit nieuwe werktuig zou wel eens kunnen bijdragen aan de oplossing van veel van de uitdagingen waar de mensheid nu voor staat. 

Emmanuelle Charpentier en Jennifer Doudna hebben een chemisch werktuig ontwikkeld dat de biowetenschappen naar een nieuw tijdperk heeft gebracht, een tijdperk waarin we zonder twijfel nieuwe en onverwachte ontdekkingen zullen doen, aldus het comité. 

Dit artikel is gebaseerd op persberichten van het Nobelcomité voor Scheikunde.