NYHET När Emmanuelle Charpentier flyttade från Wien till Umeå 2009 var det för att utforska bakteriers immunförsvar. Att hon dessutom skulle vara med och lägga grunden för ett nytt forskningsområde och en ny, revolutionerande, teknologi inom genteknik, kallat CRISPR/Cas9, hade hon ingen aning om.
Idag är det svårt att hitta ett hetare forskningsfält. Förhoppningarna om att det ska leda till nya behandlingar för en rad svåra sjukdomar är stora.
Det är en överväldigande känsla när kolleger över hela världen plötsligt inser betydelsen av, och kan dra nytta av, ens forskning, förklarar mikrobiologen Emmanuelle Charpentier.
– Som att befinna sig i en tornado – fast på ett bra sätt, skrattar hon.
Det hon talar om är framväxten av ett forskningsområde runt en ny sorts genteknik som kallas CRISPR/Cas9. Idag tävlar forskargrupper över hela världen om att vidareutveckla CRISPR/Cas9-tekniken med sikte på bland annat nya behandlingar för många svåra sjukdomar.
– Genom CRISPR/Cas9 skulle man kunna utveckla genterapier för ett mycket stort antal sjukdomar där det idag saknas behandling helt, eller där behandlingen skulle kunna bli mycket effektivare, säger Emmanuelle Charpentier. Exempel är blödarsjuka, sickelcellanemi, Pompes sjukdom, Huntingtons sjukdom och cystisk fibros.
CRISPR/Cas9-tekniken skulle också kunna resultera i nya behandlingar för svåra virussjukdomar. Redan idag pågår forskning om bland annat HIV med hjälp av CRISPR/Cas9.
2013 blev det stora genombrottsåret för CRISPR/Cas9, och idag är det svårt att hitta ett hetare forskningsområde. Tidskriften Science konstaterade i augusti 2013 att det råder ”CRISPR-yra”. Men låt oss återkomma till det lite senare och ta berättelsen från början.
Franskfödda Emmanuelle Charpentier är mikrobiolog och bakteriolog – alltså bakterieforskare. Efter doktorsexamen vid ansedda Pasteurinstitutet i Paris och postdoktorvistelser vid en rad forskningsmiljöer i USA, däribland Rockefeller University, blev hon ledare för en egen forskargrupp vid Wiens universitet 2002. Sex år senare erbjöds hon forskartjänst vid Umeå universitet och tackade ja.
– Under 2008 reste jag fram och tillbaka mellan Österrike och Sverige för att förbereda mitt labb vid MIMS, Laboratory for Molecular Infection Medicine Sweden, vid Umeå universitet, säger hon. De resorna blev också ett tillfälle för mig att fundera igenom vad jag vill ägna de kommande åren åt: var jag stod i min forskning, vilka forskningsspår jag ville fortsätta med och vilka nya jag ville ta upp? De var under en sådan resa jag insåg att vi i mitt labb borde inrikta oss mer på de små RNA som har regulatorisk funktion i cellen – i synnerhet en liten RNA-molekyl, tracrRNA, som vi hade upptäckt hos den sjukdomsalstrande bakterien Streptococcus pyogenes. Vi beslöt oss för att kartlägga dess eventuella funktion i CRISPR, som vi visade kunde ge bakterien immunitet mot nya virus-gener.
Vid den tiden var CRISPR en angelägenhet för bara några enstaka forskare i världen, främst inom mikrobiologisk forskning, och inte alls förknippat med genteknik. CRISPR, som står för Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, hör egentligen hemma i bakteriers och arkéers (en annan sorts encelliga organismer) genetik. Dessa små DNA-snuttar har varit kända sedan 1980-talet, men länge trodde forskarna att det var en form av ”skräp-DNA” – alltså DNA utan information. Det senaste decenniet har den bilden dock fått korrigeras. Kring 2005 började några forskare gissa att CRISPR var en del av bakteriernas försvar mot angrepp utifrån, och 2007 stod det klart att det faktiskt handlade om ett adaptivt immunförsvar hos bakterier, det vill säga ett försvar med förmåga att minnas angripande virus och därmed stå bättre rustade mot framtida attacker. Att bakterier kan ha adaptivt immunförsvar var tidigare okänt. För Charpentier var de nya rönen kolossalt intressanta. Hennes labb upptäckte att ett visst CRISPR-system – CRISPR-Cas9-systemet – innehåller en för forskarna helt ny aktiveringsmekanism där den lilla tracrRNA-molekylen ingår. Hon beslöt sig för att följa upp med en analys av de molekylära mekanismerna – hur det i detalj går till när CRISPR oskadliggör ett virus som tagit sig in i bakteriens DNA.
– Målet med forskningen i vårt labb är att förstå en infektion ur bakteriernas perspektiv: hur de överlever, anpassar sig, skyddar sig, förökar sig och orsakar sjukdom, säger hon. CRISPR handlar om hur bakterier skyddar sig själva mot att förvärva nya gener, såsom virus-gener. På så sätt påverkar CRISPR bakteriens genrepertoar och förmåga att orsaka sjukdom eller stå emot infektioner.
I början av 2009 började Emmanuelle Charpentier sitt nya jobb som docent och gruppledare vid MIMS, där hon inriktade sitt labb på forskning relaterad till tracrRNA och CRISPR. Under de följande åren upptäckte hennes forskargrupp i samarbete med grupper på andra håll i världen mer och mer om detaljerna kring CRISPR och de andra molekylära komponenter som också är involverade i processen. Dessa bildar tillsammans ett komplex som hittar och oskadliggör virus-DNA genom att helt enkelt klippa sönder det. Saxen är proteinet Cas9 och den lilla adresslappen som gör att komplexet klipper på rätt ställe utgörs av RNA. Denna RNA kan bakterien förändra efter behov – på så sätt anpassar den sitt immunförsvar till att spana efter nya virus.
När så mycket var kartlagt stod det också klart för forskarna att de upptäckt något som inte bara var en angelägenhet för bakteriologer, utan borde vara av största intresse för gentekniker. CRISPR/Cas9 började likna ett potentiellt verktyg för genmodifiering: genom att byta ut den lilla RNA-adresslappen borde man kunna få komplexet att klippa precis där man vill, i princip var som helst i genomet.
– Vi insåg att det borde fungera och att det i så fall skulle kunna bli ett väldigt enkelt och flexibelt verktyg, säger Emmanuelle Charpentier. Man behöver bara framställa och infoga en ny RNA-sekvens, en förhållandevis enkel sak.
Tillsammans med forskaren Jennifer Doudnas forskargrupp vid University of California publicerade Emmanuelle Charpentiers forskargrupp i augusti 2012 en artikel i Science om denna möjlighet. Sedan har det gått undan. Bit för bit har det nya verktyget anpassats för att bli praktiskt användbart. Från början kunde CRISPR/Cas9 bara klippa sönder – nu vet forskarna hur tekniken ska utnyttjas för att istället byta ut en gensekvens mot en annan.
– Visst trodde vi att det skulle gå, men vi blev ändå överraskade av hur snabbt tekniken kunde fås att fungera i så många olika celltyper, även mänskliga celler, konstaterar Emmanuelle Charpentier.
Intresset bland genteknikforskare exploderade i januari 2013, efter att flera vetenskapliga artiklar om tillämpningar av CRISPR/Cas9 publicerats ungefär samtidigt. Plötsligt ville alla vara med och pröva och utveckla den nya tekniken. Under månaderna som följde användes CRISPR/Cas9 för att förändra gener hos allt från bakterier, jäst och gröna växter till zebrafiskar, fruktflugor, möss, råttor och mänskliga celler. I augusti 2013 konstaterade tidskriften Science att det råder råder ”CRISPR-yra” och vid årets slut kom CRISPR/Cas9 med på både Sciences och Natures tio-i-topp-listor över det gångna årets viktigaste vetenskapliga framgångar.
– CRISPR/Cas9 är inte det första verktyget för genteknik, men det är enklare och flexiblare än de tidigare så kallade ”zink fingers” och ”TALENs”, förklarar Emmanuelle Charpentier. Skillnaden består framför allt i att de existerande teknikerna är beroende av proteiner som adresslappar, medan CRISPR/Cas9:s adresslapp är en RNA-snutt. Att skräddarsy ett nytt protein är en mycket omständligare process än att framställa en RNA-sekvens.
Förutom nya medicinska behandlingar förutspås den nya tekniken kunna få stor betydelse för livsmedelsindustrin. Ett annat användningsområde är inom forskning på försöksdjur.
– Idag använder man ofta så kallade transgena djurmodeller, alltså djur där man gjort vissa genetiska förändringar. Men att göra dessa förändringar är ofta en tidsödande process. När jag som postdoktor i New York under en period kom i kontakt med djurförsök blev jag förundrad över hur mycket tid forskarna ägnar åt att avla fram ett djur med rätt genetik, och hur lite utrymme de i slutändan får för att studera sin djurmodell och dra slutsatser. Med CRISPR kan det förändras. Forskare som ligger långt fram är redan igång och använder det.
Däremot kommer det att dröja innan CRISPR/Cas9 kan användas för medicinsk behandling av människor. Först måste forskarna försäkra sig om att det inte finns risk för allvarliga biverkningar. En viktig del är att förhindra ”off target effects”, det vill säga att CRISPR navigerar fel i cellen och manipulerar fel gener.
Idag delar Emmanuelles Charpentier sin tid mellan Umeå och Hannover/Braunschweig i Tyskland, där hon är professor sedan 2013. Hon har tilldelats en Alexander von Humboldt-professur, vilket är ett av Tysklands mest prestigefyllda forskningspris, och ger henne mycket goda forskningsförutsättningar.
– Men jag fortsätter som gästprofessor med min forskargrupp i Umeå och vi har väldigt tät kontakt med videokonferenser mellan grupperna i Braunschweig och Umeå. Det är väldigt uppskattat – de unga forskarna tycker att det är roligt och lite exotiskt med kolleger långt bort. Och själv ser jag nyttan i att de får den träningen – forskning idag handlar väldigt mycket om att samarbeta i internationella nätverk.
Till skillnad från många kolleger har Emmanuelle Charpentier varit mån om att inte bara byta miljö utan också forskningsspår då och då under karriären.
– Det är visserligen riskabelt men också väldigt lärorikt att byta ämne, precis som det är stimulerande att flytta mellan länder och forskningsmiljöer. Det har varit viktigt för mig. Man får träning i att hitta rätt angreppssätt för nya frågeställningar, och du tänker ofta friare när du kommer utifrån. Dessutom får man chansen att arbeta med nya människor.
Av den anledningen har det varit en fantastisk upplevelse att vara med och etablera ett nytt forskningsfält, förklarar hon.
– CRISPR har fört samman duktiga forskare från olika områden – bakteriologi, strukturbiologi, genteknik med mera – och tillsammans utmanas vi att tänka helt nytt och utforska det här okända från grunden. Det är oerhört stimulerande att verka i ett så vitalt fält, där det inte hunnit utvecklas några dogmer, och där man verkligen måste vara kreativ.
Det enda som är lite tråkigt i sammanhanget är att är att intresset för att dra nytta av CRISPR/Cas9-systemet ännu är koncentrerad till de amerikanska universiteten, tycker hon. Där har yran pågått ett år; i Europa märks det ännu inte mycket av den.
– När du besöker labb i Boston är det stora samtalsämnet om man har fått CRISPR/Cas9 att fungera. Europa har inte tillägnat sig CRISPR/Cas9:s potential inom genteknik lika snabbt. Det är synd.
Men hon ser också CRISPR-febern som något av en revansch för bakteriologin, som annars ofta får en lite undanskymd plats i biologin, i skuggan av högstatusområden som cancer och neurologi.
– Bakteriologin uppfattas ofta som ett lite gammalt fält, där det mesta skulle vara utforskat och klart. I själva verket är det mesta kvar att göra. Infektionssjukdomar är fortfarande den näst vanligaste dödsorsaken i världen och det finns allvarliga farhågor om allt större problem med antibiotikaresistens i framtiden. Därför behöver vi förstå hur bakterier fungerar. Som verktyg för att behandla mänskliga genetiska sjukdomar har CRISPR överbryggat gränser mellan olika delar av biologin och visat hur viktiga upptäckter som kan göras inom bakteriologin!
Text: Anders Nilsson
Redaktör: Karin Wikman