CRISPR - metoden som gjør at vi kan styre evolusjonen
Siden menneskehetens begynnelse har vi levd av og i naturen.Ved bruk av enkle redskaper jaktet og fisket våre forfedre, og de sanket bær, frukt, nøtter og planter. Kunnskap om hvor man fant byttedyr og fisk, hvordan man skulle skille spiselige vekster fra giftige, var en nødvendighet for å overleve. For mer enn 10 000 tusen år siden tok vi de første skrittene mot å temme naturen. Den første fremveksten av landbruket skjedde trolig i den såkalte fruktbare halvmåne, et sted i dagens krigsherjede Syria og Irak. Gode klimatiske forhold og et godt og næringsrikt jordsmonn sikret gunstige vekstforhold for forløperne til dagens kornsorter som bygg, rug og hvete. De første bøndene valgte aktivt såkorn fra de beste plantene, og gjennom avling på avling ble ville planter foredlet til kulturplanter. At menneskeheten bevegde seg fra jegerog sankersamfunnet til landbrukssamfunnet, var en biologisk revolusjon over en lang tidsperiode. Energioverskuddet og forutsigbarheten i avling fra dyrket mark endret vårt levesett for alltid. Fortsatt er valg, eller seleksjon, av egenskaper gjennom avl og foredling en forutsetning for utvikling av husdyr og kulturplanter. Norges mest utbredte ku-rase, «norsk rødt fe», er et resultat av organisert avlsarbeid i norsk landbrukssektor og forvaltes i dag av samvirkeforetaket Geno. Rasen er et attraktivt alternativ til andre ku-raser på grunn av seleksjon både av helse, melkeproduksjon, fruktbarhet og kjøttkvalitet. Samme utvikling har gitt grunnlaget for norsk lakseoppdrett. Bevisst utvelgelse har gitt opphav til gunstige laksestammer som egner seg for oppdrett. Laksen som svømmer i innhegninger eller såkalte merder langs kysten, er ikke villaks, men stammer alle fra selskapet AquaGen.
Avl og foredling er altså helt sentralt for moderne landbruk og oppdrettsnæring, men er biologisk sett en optimalisering av den avl og foredling som startet med jordbruksrevolusjonen. Fortsatt er det naturens egne spilleregler som gir variasjon i egenskaper hos avkommet, mens mennesket står for utvelgelsen. Dette kalles kunstig seleksjon. I naturen er det derimot de enkelte individenes evne til å overleve og forplante seg i miljøet de lever i, som styrer seleksjonen. Det kaller vi naturlig utvalg. Gjennom forplantning til fruktbart avkom overføres genetisk informasjon fra en generasjon til den neste, men informasjonen er ikke statisk. Både fordi hver forelder kun avgir halvparten av sin genetiske informasjon til avkommet, og ved at endringer oppstår gjennom overkryssinger og mutasjoner i genmaterialet. Dette skjer ved fjerning, kopiering eller bytting på rekkefølgen av nitrogenbasene A, T, G og C som utgjør DNA-koden.Variasjon manifesterer seg i forskjeller mellom søsken, i motsetning til eneggede tvillinger som har identisk genetisk informasjon. I en gruppe beslektede individer vil derfor alle ha noe ulike egenskaper. Noen vil ha et fortrinn: egenskaper som gir økt overlevelse og flere avkom i neste generasjon. Andre vil ha mindre gunstige egenskaper: redusert overlevelse og færre avkom. Dette er naturlig utvalg, evolusjonens motor som stadig fører til små endringer fra generasjon til generasjon i artenes utvikling.
FRA MOLEKYLÆR BIOLOGI TIL GENTEKNOLOGI
Darwin beskrev teorien og prinsippene uten å kjenne til de molekylære mekanismene. Ved å studere egenskaper hos ulike individer og arter, dokumenterte han både naturlig utvalg og kunstig seleksjon. Men det var først med den molekylærbiologiske revolusjon i siste halvdel av 1900-tallet at vi fikk innsikt i hvordan genetisk informasjon endres og overføres. Fra oppdagelsen av strukturen til DNA-molekylet som bærer av genetisk informasjon, etter sigende over en pint i puben The Eagle i Cambridge i 1953, og frem til fullført sekvensering av det humane genom i 2002, har vi fått innsikt i hvordan genetisk informasjon kopieres og overføres fra en organisme til en annen. På vei til denne erkjennelsen førte pionerarbeid i biokjemi og molekylær biologi til oppdagelsen av kraftfulle bioteknologiske verktøy, genteknologi.
Gjennom studier av enkle mikroorganismer, først og fremst vår mest utbredte tarmbakterie, Escherichia coli, ble mekanismer og biomolekyler som utgjør livets maskineri, identifisert. På 70-tallet forsto man potensialet i de nyoppdagete verktøyene og revolusjonen i den fremvoksende genteknologien. Man tok et kollektivt ansvar. Etter initiativ fra den amerikanske biokjemikeren Paul Berg, som senere vant Nobelprisen for sin forskning på DNA-teknologi, kalte man i 1975 sammen til en internasjonal konferanse om sikkerhet og regulering av den nye teknologien. Dette sikret oppslutning rundt regulering, etiske retningslinjer, sikker praksis for forskning og bruk av genmodifiserte organismer. Datidens forskningsmiljøer veide muligheter mot risiko og konsekvens. Resultatet er at bruk av genmodifiserte organismer i forskningsøyemed foregår under forhold som hindrer spredning av disse til naturen. I dag kan genmodifisering av bakterier utføres som et elevforsøk i klasserommet fordi man benytter bakteriestammer som ikke overlever utenfor laboratoriet, i kombinasjon med sikker destruksjon.
GENTEKNOLOGI OG BIOINFORMATIKK
En nødvendighet for moderne genteknologi er den parallelle revolusjonen innen informatikk og elektronisk databehandling. Bioinformatikk oppsto som et nytt fagfelt i krysningen mellom biologi og informatikk. Sammen førte disse teknologiene oss et langt skritt nærmere rollen som designer. Genteknologi kan brukes til å endre gener i bakterier, og i enkelte eukaryote systemer – altså cellestrukturer i levende organismer, som gjær, planter eller dyr. Genmodifiserte organismer (GMOer) defineres som organismer hvor genteknologi er blitt brukt til å endre genetisk informasjon. Ofte involverer prosessen overføring av hele eller deler av et gen (altså DNA) fra andre organismer. Dette kalles transgene organismer.Transgene organismer er viktige verktøy for forskning, men har også muliggjort bioteknologisk design og produksjon av proteiner, som insulin for diabetes, antistoffer for kreftbehandling og enzymer for prosessindustri.Transgene mus, Mus musculus, er det eneste eksemplet vi har på genmodifisering i levende individer som er gjennomført i stor skala. I dag har man laboratoriemus med gener som er manipulert, som oftest fjernet – såkalte knockoutmodeller. Da kan man studere effektene av å mangle akkurat dette genet, og dermed forstå sammenhengen mellom gen og funksjon.
Disse dyrene lever isolert i dyreavdelinger og er ikke i kontakt med naturen.
Transgene organismer og GMOer som er i kontakt med naturen, er i hovedsak planter. Argumentene for å innføre fremmede gener er å skape mer robuste arter som gir større avling, eller arter med gunstige egenskaper for forbrukerne. «Golden Rice» er eksempel på det siste. Denne planten er modifisert til å produsere betakaroten og lagre dette i riskornene, derav den gylne fargen. Betakaroten er en forløper i kroppens syntese av A-vitamin, og ristypen vil kunne være en viktig kilde for å motvirke A-vitaminmangel. Bruk av GMO har vist seg mer effektivt og gir større avling. I dag er mer enn 80 prosent av verdens soya et produkt av genmodifiserte varianter.Ved introduksjon av genmodifiserte planter i landbruket, med det amerikanske selskapet Monsanto som en av de første aktørene, ble patentrettigheter og kommersiell utnyttelse av genetisk informasjon utfordret. I hvilken grad skal bønder ha frihet til å dyrke og så sine avlinger, opp mot retten produsenten har til å få tilbakebetalt for sin forskning og utvikling? I Norge har man vært restriktive med å importere produkter som stammer fra GMO, både som kulturplanter, menneskeføde og dyrefôr.
CRISPR
I 2009 opprettet Emmanuelle Charpentier, en fransk professor tilknyttet universitet i Umeå, et nytt laboratorium. Hun studerte hvordan fremmede bakterier forsvarer seg mot bakteriofager (bakterienes virus). En viktig strategi bakterien benytter, er å skille egen genetisk informasjon (eget DNA) fra fremmed (bakteriofag) DNA. Derigjennom oppdaget hun mekanismen i det som på kort tid er blitt den absolutt viktigste formen for genomredigering, altså en metode for å endre arvestoffet. Metoden kalles CRISPR/Cas9, en forkortelse for «clustered, regularly interspaced short palindromic repeats / CRISPR-associated proteins». 9-tallet er et synonym for «protein 9», et enzym som brukes til å «klippe opp» genomet på molekylnivå. Cellen vil deretter forsøke å reparere skaden, og i denne prosessen vil det være mulig å legge til nye egenskaper eller funksjoner på ett bestemt sted i cellens DNA. I 2012 publiserte Charpentier og hennes team funnet av CRISPR/Cas9 som et verktøy for å endre genetisk informasjon.
I 2015 ble bruken av CRISPR/Cas9 kåret til årets vitenskapelige gjennombrudd av magasinet Science.
CRISPR/Cas-9 revolusjonerer genteknologiske metoder.Ved tradisjonell genteknologi benyttes en rekke ulike mekanismer, ofte i flere trinn. Samtidig er presisjonen og effektiviteten relativt lav. Metodene er heller ikke egnet på mer avanserte organismer, og som tidligere nevnt er kun mus blitt brukt i forskningsøyemed til nå. Ved hjelp av CRISPR/Cas-9, derimot, er genmodifisering blitt et presisjonsverktøy som kan brukes på alle dyr og celler. Dette er en bioteknologisk revolusjon. Om forventningene innfris, vil vi kunne modifisere alle organismers genetiske materiale. For eksempel tillot både Kina og USA medisinske forsøk med CRISPR i forbindelse med behandling av kreftpasienter i fjor. Også HIV, blindhet og andre sykdommer der selve cellene i kroppen trenger behandling, antas å kunne behandles med CRISPR. Videre vil genmaterialet i mygg kunne modifiseres, slik at de ikke lenger kan spre malaria.
En viktig egenskap ved CRISPR/Cas9, til forskjell fra tidligere genteknologiske metoder, er at den er ikke-sporbar. GMO er i dag definert ut fra at genteknologi er benyttet til å endre organismens genetiske informasjon. Eneste endring kan være fjerning, forandring, eller innsetting av en ekstra A,T, G eller C – de nevnte nitrogenbasene som utgjør DNA-koden. Men slike mutasjoner skjer også naturlig som en del av evolusjonen. Organismer manipulert med CRISPR/Cas9 vil dermed ikke kunne skilles fra endringer som oppstår tilfeldig, slik evolusjonen har virket siden tidenes morgen. Følgelig vil ikke manipulasjonen falle inn under definisjonen av GMO. Dagens teknologioptimisme, kanskje et resultat av at bioteknologien har hatt viktig betydning og innfridd mange forventninger, kombinert med at CRISRP/Cas9 omgår GMO-definisjonen og gir ikke-sporbare endringer i genetisk informasjon, har ført til en stor grad av deregulering. I sum fører dette til en raskere utvikling, kortere vei fra forskning til anvendelse, og en mye større grad av frislipp av modifiserte organismer i naturen. Forenklet sagt kan vi nå akselerere og styre naturens terningkast i de fleste levende organismer, oss selv inkludert, og dermed designe evolusjon. Det er vanskelig å se at denne revolusjonen ikke vil ha varige og irreversible konsekvenser, som riktignok er vanskelige å forutse. Det er usikkert hvordan teknologien vil påvirke naturen vi lever i, og vår egen fremtid. De positive mulighetene må balanseres med diskusjon om konsekvenser av vår forskning og innovasjon. Et sterkere ekko av 70-tallets kollektive refleksjon rundt forskning og bruk av genteknologi er ønskelig. Jeg har diskutert bruken av CRISRP/ Cas9 som verktøy for matproduksjon og til dels industriell bioteknologi, hvor vi trolig først vil se resultater av den pågående revolusjonen. Et viktig område jeg ikke har tatt for meg, er bruk på vår egne gener, knyttet til helse, medisinsk behandling og realisering av genterapi.Teknologien har kraft nok til at vi nå kan designe oss selv, og det vil endre oss som art for alltid.