CRISPR-Cas9, 박테리아의 면역 체계를 프로그래밍 가능한 유전자 편집 도구로 바꾸다

박테리아는 CRISPR 배열을 이용해 바이러스에 방어한다. 짧은 RNA 조각이 과거의 침입자를 기억하고, 일치하는 DNA로 뉴클레이스를 안내하면 세포가 그 DNA를 절단한다. 2012년 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나는 이 체계가 프로그래밍될 수 있음을 보여주었다. 설계된 가이드 RNA를 공급하면, Cas9이 시험관 내에서 선택된 DNA 서열을 절단하도록 유도될 수 있었다.

돌파구는 손잡이였다. 이전의 편집 도구(징크 핑거, TALEN)는 표적마다 새로운 DNA 결합 단백질을 설계해야 했고, 이는 느리고 비쌌다. 반면 CRISPR-Cas9은 새로운 20개 뉴클레오타이드 가이드 RNA를 합성하기만 하면 된다. 표적 재설정은 몇 주의 단백질 공학에서 며칠의 RNA 합성으로 바뀌었다.

다우드나와 샤르팡티에가 협력자들과 함께 작성한 2014년 Nature 리뷰는 두 개의 RNA 구조가 어떻게 단순화될 수 있는지, 그리고 그 메커니즘이 살아있는 세포에서의 게놈 공학에 어떻게 활용될 수 있는지를 제시했다. 단순성, 정밀성, 낮은 비용의 결합은 몇 년 안에 이 방법을 지배적인 유전자 편집 방법으로 만들었다.

자연의 프로그래밍 가능한 뉴클레이스를 빌려오다

가이드 RNA 설계가 단백질 공학을 대체하므로, 표적 재설정이 저렴하고 빠르다.

이 체계는 본질적으로 프로그래밍 가능하다. 특이성이 누구나 합성할 수 있는 짧은 RNA 서열에 있기 때문이다.

하나의 뉴클레이스가 거의 모든 표적에 작동하므로, 이 도구는 맞춤형이 아니라 범용적이다.

세포 자체의 복구 기구가 편집을 수행하므로, 추가적인 편집 엔진이 필요 없다.

도구의 가장 어려운 부분은 종종 자연에서 이미 해결되어 있다. 영리한 수는 생물학적 메커니즘을 찾아내고 인간이 제어할 수 있는 손잡이를 추가하는 것이다.

CRISPR-Cas9은 생물학, 의학, 농업 전반에서 표준 유전자 편집 도구가 되었고, 다우드나와 샤르팡티에는 2020년 노벨 화학상을 받았다. 진핵세포에서의 CRISPR 사용을 둘러싸고 UC 버클리와 브로드 연구소 사이에 치열한 특허 분쟁이 뒤따랐으며, 겸상적혈구병과 다른 유전 질환에 대한 임상 시험은 가능성에서 승인된 치료법으로 옮겨갔다.