Als Zwitsers zakmes voor DNA-manipulatie is CRISPR-Cas "de heilige graal"

CRISPR-Cas heeft de afgelopen tien jaar een spectaculaire ontwikkeling doorgemaakt. De genbewerkingsmethode maakt gebruik van een onderdeel van het bacteriële verdedigingsmechanisme tegen virussen. Met CRISPR-Cas kunnen wetenschappers specifieke genen in het DNA van organismen bewerken met een ongekende precisie, snelheid en betaalbaarheid. Maar nieuwe, nog betere technieken dienen zich al aan. Tijdens LabNL wordt CRISPR-Cas, naast andere ontwikkelingen in DNA-technologieën, besproken door associate professor Raymond Staals van Wageningen University & Research.

Door: Dimitri Reijerman

Genetische modificatietechnieken waren in het verleden arbeidsintensief en vergden veel tijd. Hierdoor was manipulatie van DNA, de 'software van het leven', erg duur. Slechts gespecialiseerde laboratoria waagden zich aan deze technieken. Dat veranderde met de komst van CRISPR-Cas rond 2007-2008: genoomonderzoek is toegankelijker geworden voor wetenschappers in allerhande werkvelden. Dit heeft geleid tot een explosie van nieuwe ontdekkingen en inzichten op het gebied van genetica en biologie.

De heilige graal

Staals stond, als onderzoeker aan de WUR, aan de wieg van CRISPR-Cas. "CRISPR-Cas is de holy grail voor genome editing. Dit wilden we als onderzoekers altijd al hebben: een enkel eiwit dat je kunt programmeren om op een specifieke plek in het DNA te knippen. Het is ook nog eens supergoedkoop en efficiënt.”

Sindsdien is Staals samen met zijn collega's vrijwel dagelijks bezig met de doorontwikkelingen binnen de diverse CRISPR-Cas-technologieën, naast gerelateerde research. “Ongeveer de helft van mijn CRISPR-Cas research is fundamenteel onderzoek met de centrale vraag: hoe werken deze systemen?", zo vertelt de associate professor. "Er zijn nog veel vraagtekens, specifiek over het zogeheten type III-systeem. Deze systemen zijn minstens zo interessant als het veelgebruikte Cas9. Vooral in de diagnostiek, zoals bij de ontwikkeling van biosensoren.”

“Momenteel heb ik zo’n tien PhD-studenten in mijn onderzoeksgroep, samen met wat postdocs, technici en een labmanager. Zo’n 80 tot 90 procent van ons onderzoek is gericht op CRISPR-Cas. Daar ben ik al sinds 2011 mee bezig, nog voordat de techniek de enorme boom kreeg. Gelukkig is er voor mij nog meer dan genoeg om te onderzoeken. Daarnaast doen we nog gesubsidieerd werk voor bedrijven en werken we aan metabole engineeringsprojecten. Ook kijken we vol interesse naar andere bacteriële defensiesystemen. CRISPR-Cas is gebaseerd op zo’n immuunsysteem, maar er zijn veel anderen.”

De samenwerking tussen Staals en zijn medeonderzoekers heeft al de nodige vruchten afgeworpen, zo vertelt de associate professor: “De andere helft van ons werk is toegepast onderzoek om genome-editing te gebruiken. Ik heb met een aantal studenten daar ook een spin-off-bedrijf voor opgericht, ScopeDX. Dit kwam voort uit een wedstrijd waarbij studenten diagnostische vraagstukken probeerden op te lossen. Zij wilden doorgaan met hun bevindingen. Inmiddels is ScopeDX nog steeds een succesvolle spin-off. Dat is erg leuk.”

“De derde grote pijler is laboratory evolution", zegt Staals. "Daarbij bekijken we de systemen in de natuur, maar je kunt ze beter maken door ze in het lab door te laten evolueren. Een van de flessenhalzen bij het toepassen van CRISPR-Cas is dat ze meestal op de goede plek knippen in het DNA, maar soms per ongeluk ook op een andere plek, het zogeheten off targeting. Helaas gebeurt dat in de praktijk regelmatig. En juist bij medische toepassingen wil je geen off targeting hebben. Wij willen met behulp van laboratory evolution preciezer kunnen knippen in het DNA.”

Toepassingen in de geneeskunde

Ondanks de risico's op off targeting, is CRISPR-Cas niet meer weg te denken in de geneeskunde en de ontwikkelingen van nieuwe medicijnen en therapieën. Wetenschappers denken met CRISPR-Cas in staat te zijn om genetische afwijkingen te corrigeren die verantwoordelijk zijn voor erfelijke ziekten, zoals sikkelcelanemie, cystische fibrose en taaislijmziekte.

Volgens Staals zijn er de afgelopen vijf jaar al veel successen geboekt en is de eerste patiënt inmiddels behandeld met behulp van DNA-manipulatie op basis van CRISPR-Cas. En de komende jaren zullen deze medische toepassingen in een stroomversnelling geraken, denkt de onderzoeker: "We gaan Cas-enzymen niet alleen maar benutten om te kunnen knippen in het DNA, maar ze ook dienst laten doen als een transportmiddel. Zo kunnen we andere enzymen afleveren. Dit zou potentie kunnen hebben bij het behandelen van bepaalde soorten kankers. En in de toekomst zie ik nog andere interessante methodes om het DNA aan te passen, zoals prime editing en base editors. Ook CRISPR-associated transposon homing is veelbelovend."

Veel optimisme dus, al gebeurt veel onderzoek naar medische toepassingen buiten Nederland. “Als pioniers bij de fundamentele kennis over CRISPR-Cas staat Nederland, en zeker ook Wageningen, bij de wereldtop. We ontdekken nog steeds nieuwe CRISPR-Cas-systemen en hoe ze werken", zegt Staals. "Voor applicaties van deze techniek is dat echter niet zo. Daarvoor moet je toch kijken naar Azië en de VS. Dat heeft er ook mee te maken dat de Europese regelgeving ons enigszins tegenhoudt. Zo valt CRISPR-Cas in Europa nu nog onder GMO-wetgeving. Toch denk ik dat het versoepelen van de regelgeving op termijn gaat gebeuren.”

De toekomst van CRISPR-Cas

Naast mogelijk versoepelde EU-regelgeving, ziet Staals nog een belangrijke ontwikkeling die het onderzoek en de toepassing van CRISPR-Cas enorm kan gaan versnellen: kunstmatige intelligentie. "Wij maken al gebruik van AI. AlphaFold (een AI-toepassing die voorspellingen doet over eiwitstructuren – red.) is net als CRISPR- Cas een enorme ontwikkeling geweest binnen mijn werkveld. Bij grootschalige onderzoeken krijgen we zo veel data naar ons toegeslingerd dat het voor ons, door de orde van grootte, niet meer te begrijpen is. AI is juist ontzettend goed om het kaf van het koren te scheiden en er nuttige informatie uit te halen. En we kunnen ook AI gaan vragen wat de beste keuzes zijn voor het starten van nieuwe experimenten."

Als Zwitsers zakmes zullen we nog veel gaan horen van CRISPR-Cas. Want buiten de geneeskunde is de technologie toepasbaar op nog veel meer terreinen, van landbouw en voedselproductie tot het opruimen van gifstoffen in het milieu (bioremediatie) en het tegengaan van bijvoorbeeld de malariamug. Toch zal er nog veel (fundamenteel) onderzoek nodig zijn om, los van regulering en ethische kwesties, het volle potentieel van CRISPR-Cas en haar opvolgers te gaan benutten.

Wil je deze lezing bijwonen? Registreer je kosteloos voor LabNL.