CRISPR-cas9 ജീൻ എഡിറ്റിംഗ് ഒരു ദശകത്തിലൂടെ

Read Time:17 Minute

ഡോ.റസീന എൻ.ആർ

ഗ്രിഗർ മെൻഡലിന്റെ 200ാം ജന്മവാർഷികത്തിന്റെ ഭാഗമായി ലൂക്ക പ്രസിദ്ധീകരിക്കുന്ന ജനിതകശാസ്ത്ര ലേഖന പരമ്പര…

ജീനോം എഡിറ്റിംഗ് അല്ലെങ്കിൽ ജീൻ എഡിറ്റിംഗ് (genome/gene editing) എന്നത് ഒരു ജീവിയുടെ ജീനോമിലെ പ്രത്യേക സ്ഥലങ്ങളിൽ ജനിതക വസ്തുക്കൾ ചേർക്കാനോ നീക്കം ചെയ്യാനോ മാറ്റം വരുത്താനോ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു കൂട്ടം സാങ്കേതികവിദ്യകളാണ്. ജീനോം എഡിറ്റിംഗിന് നിരവധി രീതികൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്. മറ്റ് ജീനോം എഡിറ്റിംഗ് രീതികളേക്കാൾ കൂടുതൽ കൃത്യവും കാര്യക്ഷമവും വിലകുറഞ്ഞതുമാണ് എന്നതുകൊണ്ട് CRISPR-Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated protein 9) എന്ന രീതി ശാസ്ത്ര സമൂഹത്തിൽ വളരെയധികം ശ്രദ്ധ നേടി. CRISPR-Cas9 സാങ്കേതിക വിദ്യ ബാക്ടീരിയകളിൽ സ്വാഭാവികമായി സംഭവിക്കുന്ന ജീനോം എഡിറ്റിംഗ് സിസ്റ്റത്തിൽ നിന്ന് വികസിപ്പിച്ചെടുത്തതാണ്.

വൈറസുകൾ ബാധിക്കുമ്പോൾ, ബാക്ടീരിയകൾ വൈറസുകളുടെ ഡിഎൻഎയുടെ ചെറിയ കഷണങ്ങൾ പിടിച്ചെടുക്കുകയും CRISPR അറേകൾ (CRISPR arrays) എന്നറിയപ്പെടുന്ന സെഗ്‌മെന്റുകൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നതിന് അവയെ ഒരു പ്രത്യേക പാറ്റേണിൽ സ്വന്തം ഡിഎൻഎയിലേക്ക് തിരുകുകയും ചെയ്യുന്നു. വൈറസുകൾ വീണ്ടും ആക്രമിക്കുകയാണെങ്കിൽ, ബാക്ടീരിയകൾ CRISPR അറേകളിൽ (CRISPR arrays) നിന്ന് RNA സെഗ്‌മെന്റുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു, അത് വൈറസുകളുടെ ഡിഎൻഎയുടെ പ്രത്യേക ഭാഗങ്ങൾ തിരിച്ചറിയുകയും അവിടെ പറ്റിപ്പിടിക്കുകയും Cas9 അല്ലെങ്കിൽ സമാനമായ എൻസൈം (enzyme) ഉപയോഗിച്ച് അവയെ ബാക്റ്റീരിയൽ ജീനോമിൽ നിന്നും വേർപെടുത്തി വൈറസിനെ പ്രവർത്തനരഹിതമാക്കുന്നു.

ജെന്നിഫർ ഡൗഡ്ന (Jennifer Doudna): ജീൻ എഡിറ്റിങ്ങിന്റെ മാതാവ്

ജെന്നിഫർ ഡൗഡ്ന (Jennifer Doudna), തന്റെ കമ്പ്യൂട്ടറിൽ മനുഷ്യന്റെ ഡിഎൻഎ (DNA) ഉണ്ടാക്കുന്ന ജനിതക കോഡുകളിൽ (As, Cs, Ts, Gs ) സ്ഥാനമാറ്റങ്ങൾ വരുത്തിയപ്പോൾ സ്ക്രീനിൽ ഒരു ജനിതക രോഗം (genetic disease) ഭേദമാകുന്ന കാഴ്ച അവരെ വല്ലാതെ ഞെട്ടിച്ചു. ജെന്നിഫർ ഡൗഡ്നയുടെ ഈ കണ്ടെത്തൽ വഴിയൊരുക്കിയത് കൃത്യതയോടെ ഏതൊരു ജീവിയുടെയും DNA എഡിറ്റു (DNA editing/gene editing) ചെയ്യാൻ ശാസ്ത്രജ്ഞരെ സഹായിക്കുന്ന ഒരു സാങ്കേതികവിദ്യയിലേക്കാണ്. 2012-ൽ വിയന്ന സർവകലാശാലയിൽ (University of Vienna) ജെന്നിഫർ ഡൗഡ്നയും (Jennifer Doudna) ഇമ്മാനുവൽ ചാർപെന്റിയറും (Emmanuel Charpentier) ആദ്യമായി വിവരിച്ച ഈ സാങ്കേതികവിദ്യ അതിന്റെ ശക്തിയിലും ലാളിത്യത്തിലും ശാസ്ത്രലോകത്തിനെ അതിശയിപ്പിക്കുന്നതായിരുന്നു.

സിക്കിൾ സെൽ അനീമിയ (Sickle cell anemia ) പോലുള്ള ജനിതക വൈകല്യങ്ങൾക്ക് കാരണമാകുന്ന മ്യൂട്ടേഷനുകൾ (mutation) ഉൾക്കൊള്ളുന്ന മനുഷ്യ ജീനോമിലെ (human genome) ഡിഎൻഎയുടെ പ്രത്യേക ഭാഗങ്ങൾ കണ്ടെത്തുന്നതിനും നീക്കം ചെയ്യുന്നതിനും ഇതേ തന്ത്രം പ്രയോഗിക്കാൻ ഡൗഡ്നയുടെയും ചാർപെന്റിയറുടെയും ടീം ഒരു മാർഗം കണ്ടെത്തി. ഡിഎൻഎയെ മുറിക്കാൻ കഴിയുന്ന എൻസൈമുകളാൽ (restriction endonuclease) സജ്ജീകരിച്ചിരിക്കുന്ന ഒരു ജോടി തന്മാത്രാ കത്രിക പോലെ പ്രവർത്തിക്കുന്ന CRISPR ചില സ്ഥലങ്ങളിൽ മാത്രം ഡിഎൻഎ എഡിറ്റ് ചെയ്യാൻ പ്രോഗ്രാം ചെയ്തു. ഇങ്ങനെ മ്യൂട്ടേഷൻ ഇല്ലാതാകുന്നതോടെ, രോഗത്തിന്റെ വേദനാജനകമാക്കുന്ന ദോഷകരമായ അവസ്ഥയെ മറികടക്കുവാൻ സഹായിക്കുന്ന തരത്തിൽ ഓക്സിജൻ വഹിക്കുന്ന ആരോഗ്യകരമായ ചുവന്ന രക്താണുക്കൾ രൂപപ്പെടാൻ തുടങ്ങും. ജനിതക രോഗങ്ങൾ മികച്ച രീതിയിൽ ഇത്തരത്തിൽ ഭേദമാക്കുക എന്ന ആശയം ശരിക്കും ശാസ്ത്ര രംഗത്ത് ഒരു വഴിത്തിരിവായിരുന്നു. ജീൻ എഡിറ്റിംഗ് രീതി വികസിപ്പിച്ചതിന് രസതന്ത്രത്തിനുള്ള 2020 ലെ നോബൽ സമ്മാനം (Nobel Prize) ഇരുവരും നേടി.

താൻ വികസിപ്പിച്ചെടുത്ത CRISPER-cas9 ജിൻ എഡിറ്റിംഗിന്റെ (gene editing) സാധ്യതകളും അവ ശാസ്ത്ര രംഗത്ത് ഉണ്ടാക്കിയേക്കാവുന്ന വിപ്ലവത്തെക്കുറിച്ചും അത് തന്റെ അക്കാദമിക് ലാബിന് കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ പരിമിതികൾ ഉണ്ടെന്നും ഡൗഡ്ന ബോധവതിയായിരുന്നു. CRISPR-നെ അതിന്റെ പൂർണതയിൽ എത്തിക്കണമെങ്കിൽ വൈറോളജി, ജനിതകശാസ്ത്രം, ക്ലിനിക്കൽ മെഡിസിൻ, കൃഷി, കാലാവസ്ഥ എന്നിവയിൽ നിന്നുള്ള വിദഗ്തരുടെ സേവനം കൂടി അത്യാവശ്യമായിരുന്നു. അങ്ങനെ അവർ ഇന്നൊവേറ്റീവ് ജീനോമിക്സ് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് (IGI) എന്ന ഗവേഷണ സ്ഥാപനം അമേരിക്കയിലെ ബെർക്ക്ലിയിൽ (Innovative Genomics Institute, Berkeley, USA) സ്ഥാപിച്ചു..

ഇമ്മാനുവൽ ചാർപെന്റിയറും ജെന്നിഫർ ഡൗഡ്നയും (Emmanuel Charpentier and Jennifer Doudna) *കടപ്പാട് :ദ ന്യൂയോർക്ക് ടൈംസ്*

CRISPR ഉപയോഗിച്ചു മനുഷ്യരോഗങ്ങളെ ചികിത്സിക്കുന്നതിനുള്ള ആദ്യ ശ്രമങ്ങൾ തുടങ്ങിയത് രക്താർബുദത്തിലാണ്. രോഗികളുടെ അസ്ഥിമജ്ജയിൽ നിന്ന് കോശങ്ങൾ നീക്കം ചെയ്യാൻ ഡോക്ടർമാർക്ക് കഴിയും. ആവശ്യമില്ലാത്ത മ്യൂട്ടേഷനുകൾ നീക്കം ചെയ്യുന്നതിനായി CRISPR ഉപയോഗിച്ച് അവ എഡിറ്റ് ചെയ്യുക; തുടർന്ന് “നിശ്ചിത” ആരോഗ്യമുള്ള കോശങ്ങൾ രോഗിക്ക് തിരികെ നൽകുക. രോഗപ്രതിരോധം വർധിപ്പിക്കാനും പുതിയ രക്തകോശങ്ങൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കാനും ഇതിലൂടെ സാധിക്കുന്നു. സിക്കിൾ സെൽ അനീമിയ ചികിത്സിക്കാൻ സമാനമായ തന്ത്രം ഉപയോഗിക്കുന്നതിന് ഡൗഡ്നയുടെ സംഘം സാൻ ഫ്രാൻസിസ്കോയിലെ കാലിഫോർണിയ സർവകലാശാലയിലെയും (University of California, San Francisco) ലോസ് ഏഞ്ചൽസിലെ കാലിഫോർണിയ സർവകലാശാലയിലെയും (University of California, Los Angeles) ഗവേഷകരുമായി സഹകരിക്കുന്നു.

മുൻ വിദ്യാർത്ഥികളുമായി ചേർന്ന് സ്ഥാപിച്ച ഡൗഡ്നയുടെ നിരവധി കമ്പനികളിലൊന്നായ കാരിബൗ ബയോസയൻസസ് (Caribou Biosciences), നോൺ-ഹോഡ്ജ്കിൻ ലിംഫോമ (Non-Hodgkin lymphoma) ഉൾപ്പെടെ വിവിധതരം ക്യാൻസറുകളുള്ള രോഗികളിൽ നിന്നുള്ള രോഗപ്രതിരോധ കോശങ്ങളുടെ (immune cells) DNA-യിൽ നിന്ന് ക്യാൻസറിന് കാരണമാകുന്ന സീക്വൻസുകൾ (sequences) എഡിറ്റുചെയ്യാൻ CRISPR ഉപയോഗിക്കുന്നു. രോഗികളുടെ ശരീരത്തിനുള്ളിൽ നേരിട്ട് CRISPR-cas9 ഉപയോഗിക്കാനുള്ള കൂടുതൽ സാദ്ധ്യതകൾ ശാസ്ത്രജ്ഞർ നടത്തിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നു. 2014-ൽ, Intellia Therapeutics ലെ ശാസ്ത്രജ്ഞർ ട്രാൻസ്തൈറെറ്റിൻ അമിലോയിഡോസിസിന് (Transthyretin amyloidosis) CRISPR അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഇൻട്രാവണസ് (Intravenous) ചികിത്സ പരീക്ഷിച്ചു. അവയവങ്ങളിലും ഞരമ്പുകളിലും അസാധാരണമായ പ്രോട്ടീൻ രൂപപ്പെടുന്നതും നാഡീവ്യവസ്ഥയ്ക്കും ഹൃദയത്തിനും കേടുപാടുകൾ വരുത്തുന്നതുമായ അപൂർവ രോഗമാണ് ഇത്. കുറച്ച് രോഗികളിൽ പരീക്ഷിച്ച ചികിത്സ കരളിലെ പ്രത്യേക ജീനുകൾ വിജയകരമായി എഡിറ്റ് ചെയ്യുകയും ഇൻഫ്യൂഷൻ (Infusion) കഴിഞ്ഞ് ഒരു മാസത്തിന് ശേഷം അസാധാരണമായ പ്രോട്ടീന്റെ രക്തത്തിലെ അളവ് 93% വരെ കുറയുകയും ചെയ്തു. ഒരു രോഗിയുടെ ശരീരത്തിൽ CRISPR-അധിഷ്ഠിത എഡിറ്റിംഗിന്റെ സുരക്ഷിതത്വത്തിന്റെയും ഫലപ്രാപ്തിയുടെയും ആദ്യ പ്രകടനമാണിത്.

CRISPR: പരിസ്ഥിതി, ആരോഗ്യരംഗത്തെ മുന്നേറ്റങ്ങൾ

ശാസ്ത്രജ്ഞരും കമ്പനികളും CRISPR പരീക്ഷിക്കുന്നത് കേവലം മനുഷ്യരുടെ രോഗത്തെ ചികിത്സിക്കുന്നതിന് മാത്രമല്ല, സസ്യവിളകൾ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനും, വരൾച്ച, കീടനാശിനി പ്രതിരോധം, കൂടുതൽ കാർബൺ-സൗഹൃദ കന്നുകാലികൾ, എന്നിവയെല്ലാം CRISPR-ൽ സാധ്യമാണ്. IGI-യുടെ പ്ലാന്റ് ജീനോമിക്സ് ആൻഡ് ട്രാൻസ്ഫോർമേഷൻ (Plant Genomics and Transformation) ഫെസിലിറ്റിയിൽ വരൾച്ചയെ പ്രതിരോധിക്കുന്ന അരി, കീടനാശിനി-പ്രതിരോധശേഷിയുള്ള ഗോതമ്പ്, മികച്ച രുചിയുള്ള തക്കാളി, ചോളം, വാഴ, മരച്ചീനി, മറ്റ് സസ്യജാലങ്ങൾ എന്നിവയ്ക്കായി CRISPR ജീൻ എഡിറ്റിംഗ് പരീക്ഷണങ്ങൾ നടന്നുവരുന്നു. ഇവ പ്രാരംഭ ഘട്ടത്തിലാണ്. എന്നാൽ കാർബൺ ഡൈ ഓക്സൈഡും വെള്ളവും കൈമാറ്റം ചെയ്യുന്നതിനായി ചെടികളിലുള്ള ആസ്യരന്ധ്രങ്ങളുടെ (stomata) അളവ് കുറയ്ക്കുന്നതിലൂടെ വരൾച്ചയെ പ്രതിരോധിക്കാനുള്ള ശേഷി വർധിപ്പിക്കാം. CRISPR ഉപയോഗിച്ച് സ്റ്റൊമാറ്റകളുടെ എണ്ണം ജനിതകമായി കുറച്ച് വരൾച്ചയെ പ്രതിരോധിക്കാൻ ശേഷിയുള്ള (drought tolerant) നെല്ലിനം കൊളംബിയയിൽ ആദ്യ ഫീൽഡ് ടെസ്‌റ്റിനായി തയ്യാറായിക്കഴിഞ്ഞു.

IGI പ്ലാന്റ് ജീനോമിക്‌സ് ആൻഡ് ട്രാൻസ്‌ഫോർമേഷൻ (Plant Genomics and Transformation) ഫെസിലിറ്റിയിൽ ടിഷ്യു കൾച്ചറിലൂടെ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന മരച്ചീനി ചെടികൾ

CRISPR: മറഞ്ഞിരിക്കുന്ന ഇരുണ്ട വശം

തെറ്റായ കൈകളിൽ, ജീനുകൾ എഡിറ്റു ചെയ്യാനുള്ള അധികാരം മെഡിക്കൽ ദുരുപയോഗങ്ങളിലേക്കും യൂജെനിക്സിലേക്കും നയിച്ചേക്കാം. അതിലൂടെ ശാരീരിക രൂപവും ബുദ്ധിശക്തിയും ഉൾപ്പെടെ ഏത് സവിശേഷതകളും തിരഞ്ഞെടുക്കാനാകും. മനുഷ്യ ഭ്രൂണങ്ങളിലെ DNA യിൽ എഡിറ്റ് ചെയ്യാൻ CRISPR ഉപയോഗിച്ചതായി ചൈനീസ് ശാസ്ത്രജ്ഞനായ ഹി ജിയാൻകുയിയിൽ (He Jiankui) നിന്ന് ഞെട്ടിക്കുന്ന ഒരു ഇമെയിൽ ജെന്നിഫർ ഡൌഡ്നയ്ക്ക് 2018-ൽ ലഭിച്ചപ്പോഴാണ് മനുഷ്യ ജീനുകളെ മാറ്റാൻ CRISPR ഉപയോഗിക്കുന്നതിനെക്കുറിച്ചുള്ള വാർത്ത ലോകം അറിയുന്നത്. അതിന്റെ ഫലമായി ഇരട്ട പെൺകുട്ടികൾ ജനിച്ചു – CRISPR വഴി ജീനോമുകൾ സ്ഥിരമായി മാറ്റം വരുത്തിയ ആദ്യത്തെ മനുഷ്യർ. ചൈനയിലെ വിവാദമായ പരീക്ഷണത്തിൽ, ഇരട്ടകളുടെ പിതാവ് എച്ച്ഐവി പോസിറ്റീവ് ആയിരുന്നു, കൂടാതെ വൈറസിൽ നിന്ന് കുട്ടികളെ സംരക്ഷിക്കാനുള്ള ശ്രമത്തിൽ, എച്ച്ഐവി പ്രതിരോധത്തിന് സംഭാവന നൽകുമെന്ന് വിശ്വസിക്കപ്പെടുന്ന ഒരു ജീൻ അദ്ദേഹം എഡിറ്റ് ചെയ്തു. എന്നാൽ ചൈനീസ് കോടതി അദ്ദേഹം സമ്മത രേഖകളിൽ കൃത്രിമം കാണിക്കുകയും പഠനത്തിന്റെ സ്വഭാവത്തെക്കുറിച്ച് മാതാപിതാക്കളെ പൂർണ്ണമായി അറിയിച്ചിട്ടുണ്ടോ എന്ന് ചോദ്യം ചെയ്യുകയും ചെയ്തു; ആത്യന്തികമായി, തന്റെ അസാധാരണമായ പരീക്ഷണത്തിലൂടെ മെഡിക്കൽ നിയന്ത്രണങ്ങൾ ലംഘിച്ചതിന് അദ്ദേഹം ജയിലിലായി.

ചൈനീസ് ശാസ്ത്രജ്ഞനായ ഹി ജിയാൻകുയിയിൽ (He Jiankui)

നാളെകളിലെ CRISPR

DNA എഡിറ്റിംഗിന്റെ നൈതിക പ്രശ്നങ്ങൾ ചർച്ചചെയ്യേണ്ടതുണ്ട്. ഒപ്പം വ്യക്തിഗത ജീനോമുകൾക്ക് മാത്രം ബാധകമാക്കി, മനുഷ്യരിൽ പാരമ്പര്യമായി ഉണ്ടായേക്കാവുന്ന ജനിതക രോഗങ്ങളുടെ ചികിത്സകൾക്കുള്ള ഗവേഷണങ്ങൾക്ക് വലിയ മുന്നോട്ടുപോകേണ്ടതുണ്ട്. സിക്കിൾ സെൽ അനീമിയ (Sickle cell anemia) പോലുള്ള ജനിതക അവസ്ഥകൾ, മാക്യുലർ ഡീജനറേഷൻ (macular degeneration) പോലെയുള്ള കാഴ്ച പ്രശ്നങ്ങൾ എന്നിവയെ ജീവിതകാലം മുഴുവൻ ചികിത്സിക്കുന്നതിനുപകരം, CRISPR ജിൻ എഡിറ്റിംഗിലൂടെ സുഖപ്പെടുത്താൻ ഇപ്പോൾ നമുക്ക് കഴിയും. പരിണാമത്തിനായി കാത്തിരിക്കുന്നതിനേക്കാൾ വേഗത്തിൽ പ്രശ്നക്കാരായ ജീനുകളെ തിരുത്താൻ CRISPR ജിൻ എഡിറ്റിംഗിലൂടെ സാധ്യമാക്കുന്നു. കാലാവസ്ഥാ വ്യതിയാനം പോലെയുള്ള കാര്യങ്ങളിൽ നമ്മൾ ഇടപെടുമ്പോൾ, സ്വാഭാവിക പ്രക്രിയയിലൂടെ അതിന്റെ ഗതിയിലേക്ക് എത്തുന്നതിനായി കാത്തിരിക്കുന്നതിനേക്കാൾ സത്വരവേഗത്തിൽ നമുക്ക് കാര്യങ്ങൾ CRISPR ജീൻ എഡിറ്റിംഗിലൂടെ ചെയ്യാൻ ഒരു പക്ഷെ കഴിഞ്ഞേക്കാം.

2020-ലെ ആദ്യകാല COVID-19 ലോക്ക്ഡൗണുകളുടെ സമയത്ത്, IGI-യിലെ ഡൗഡ്നയുടെ ടീം മൂന്ന് മാസത്തിനുള്ളിൽ ഒരു ഡയഗ്നോസ്റ്റിക് COVID-19 ടെസ്റ്റ് വികസിപ്പിച്ചെടുത്തു. 2020 സെപ്റ്റംബറോടെ, ലാബ് ഡയഗ്നോസ്റ്റിക് ടെസ്റ്റുകൾ നൽകുന്നതിന് ഫെഡറൽ ഗവണ്മെന്റ് അനുമതി ലഭിച്ചു. ബേ ഏരിയയിലെ (Bay Area) മുൻനിര തൊഴിലാളികളെയും താഴ്ന്ന കമ്മ്യൂണിറ്റികളെയും പരീക്ഷിക്കാൻ തുടങ്ങി. ജീനോമുകൾ എഡിറ്റ് ചെയ്യാനല്ല, രോഗകാരികളെ തിരിച്ചറിയാൻ CRISPR അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള തന്ത്രങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച്, SARS-CoV-2 ന്റെ ജനിതക ശ്രേണിയിലെ മാറ്റങ്ങൾ തിരഞ്ഞെടുത്ത് പുതിയ വകഭേദങ്ങൾ വേഗത്തിൽ കണ്ടെത്താൻ IGI-യുടെ ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് കഴിഞ്ഞു.

കൂടുതൽ വായനയ്ക്ക്

Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A programmable dual-RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. science, 337(6096), 816-821.
Méndez-Mancilla, A., Wessels, H. H., Legut, M., Kadina, A., Mabuchi, M., Walker, J., … & Sanjana, N. E. (2022). Chemically modified guide RNAs enhance CRISPR-Cas13 knockdown in human cells. Cell Chemical Biology, 29(2), 321-327.
Gordon, D. E., Hiatt, J., Bouhaddou, M., Rezelj, V. V., Ulferts, S., Braberg, H., … & Dorward, M. (2020). Comparative host-coronavirus protein interaction networks reveal pan-viral disease mechanisms. Science, 370(6521), eabe9403.