A própria natureza da raça humana logo mudará. Essas mudanças serão radicais e rápidas - nunca houve tais coisas na história de nossa espécie. Um capítulo de nossa história acaba e o próximo começa.
A revolução na existência humana será possível graças a uma nova tecnologia genética com o nome inofensivo CRISPR (pronuncia-se "crispr"). Muitos leitores já devem ter visto esse nome no noticiário, e outros meios de comunicação convencionais logo o verão. CRISPR significa Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (curtas repetições palindrômicas, regularmente espaçadas em grupos). CRISPR está para a genômica o que vi (um editor de texto visual no Unix) está para o software. CRISPR é uma tecnologia de edição de genoma que oferece aos engenheiros genéticos uma oportunidade sem precedentes: ela os transforma em hackers de genes. Antes do advento do CRISPR, a engenharia genética era lenta, cara e imprecisa. Agora, a edição do genoma pode ser feita de maneira barata, precisa e reproduzível.
Este texto é uma releitura muito não técnica da história do desenvolvimento do CRISPR. Também falaremos sobre Gene Drive [1], uma técnica biológica que, quando usada em conjunto com CRISPR, dá aos engenheiros genéticos ainda mais poder. Abaixo, adicionei alguns links para aqueles interessados em se aprofundar neste tópico - você pode lê-los para obter detalhes técnicos. No final, falarei brevemente sobre as implicações e perspectivas dessas tecnologias.
Vamos dar uma olhada rápida nas informações básicas. O código genético descrito no DNA pode ser visto como um software que dá origem a todos os tipos de vida que existem em nosso planeta. Os geneticistas estão estudando métodos de decodificação do genoma, mas tudo se complica pelo fato de eles terem muito poucas oportunidades de alterar esse código. Em comparação, imagine se os desenvolvedores de software tivessem acesso a um grande número de programas extremamente poderosos que eles mal entendem e cujo código não podem alterar. Mas se a capacidade de editar o código aparecer e os cientistas puderem modificar o "software genético", então a pesquisa pode ser levada a sério. Os engenheiros terão a oportunidade não apenas de alterar o código, mas também de corrigi-lo e aprimorá-lo. Hackers aparecerão novamente.
Será mais fácil entender essa tecnologia incrível se você descobrir de onde ela veio. Na década de 1980, cientistas da Universidade de Osaka sequenciaram o DNA da bactéria E Coli e notaram algo estranho. O DNA consistia em longas cadeias de nucleotídeos e, dentro dele, agrupamentos repetidos de estranhas sequências de nucleotídeos fora do lugar. Eles pareciam estar sendo interrompidos por fitas aleatórias de DNA. Com o tempo, agrupamentos semelhantes foram encontrados em várias outras bactérias e receberam o nome de CRISPR (este nome descreve de forma bastante sucinta o que os cientistas descobriram). No entanto, ninguém sabia o que era e quais eram as funções dessa descoberta.
Existem várias descobertas que deram aos cientistas respostas a essas perguntas, mas vale a pena destacar duas das mais importantes. Primeiro, três equipes diferentes recentemente usaram bancos de dados novos de material genético e notaram que essas fitas CRISPR pareciam DNA viral incomum. Em segundo lugar, o brilhante biólogo evolucionista do Centro Nacional de Informação Biotecnológica Evgeny Kunin chegou à conclusão chave de que este é um mecanismo bacteriológico de proteção contra vírus. Essa ideia acabou levando à formulação do propósito do CRISPR.
Nós, humanos, lutamos constantemente contra várias bactérias e vírus, por isso pode ser uma surpresa para nós que as próprias bactérias e vírus tenham lutado por sua própria sobrevivência por bilhões de anos. Todos os dias, trilhões e trilhões de bactérias são mortas por vírus (os vírus que atacam as bactérias são chamados de fagos). A maioria das pessoas consegue lidar com seus fagos, em grande parte graças à "arma" que temos depois de muitos milhares de anos de evolução - a imunidade. Acontece que o CRISPR é uma arma muito eficaz que pode ser usada pelo sistema imunológico.
Deixe-me ser claro em um ponto para evitar confusão. Discutimos anteriormente que CRISPR é uma descrição de certas fitas incomuns de DNA. Para usar essas cadeias como mecanismo de defesa ou para editar o genoma (mais sobre isso depois), você precisa de uma ferramenta chamada Cas. Se você ler sobre proteínas Cas, também poderá ver Cas9 (ou Cas3, etc.) mencionado. O conjunto completo dessas ferramentas é às vezes chamado de CRISPR / Cas, mas geralmente eles dizem apenas CRISPR, que é o termo que utilizo.
Vamos discutir como tudo funciona. Quando bactérias com CRISPR conseguem lutar contra ataques virais, elas usam proteínas Cas para capturar fragmentos de DNA viral e inserir esses fragmentos em seu DNA. Se o vírus tiver o azar de atacar uma bactéria tão bem preparada, então essa mesma bactéria usa a cadeia CRISPR como um padrão para reconhecer o vírus e usa Cas para quebrar o vírus em partículas inofensivas.
Este é um mecanismo muito legal. As proteínas Cas copiam genes CRISPR virais de seu próprio DNA em moléculas de RNA (como o DNA, o RNA é muito importante para registrar a estrutura do genoma), devido ao qual uma estrutura consistindo da proteína Cas e RNA é formada. Após sua criação, essa estrutura começa a vagar pela célula. Quando essa estrutura colide com outra molécula, ela verifica se ela contém DNA e, se encontrada, lê a sequência de nucleotídeos. Se essa sequência corresponder à cadeia CRISPR armazenada, um vírus conhecido foi encontrado. O RNA é então capturado e as enzimas CAS clivam o DNA viral como uma guilhotina (ou o matam se você quiser pensar nos vírus como vivos). Se para você tudo isso soa como algum tipo de algoritmo imunológico implementado por entidades da biologia, então geralmente você está certo:
CRISPR.() // ( CRISPR.) CRISPR.cas9.() // CRISPR.cas9.() //
CRISPR.wander() - until encounter another molecule If (new molecule contains DNA and DNA matches CRISPR.dna) CRISPR.cas9.grab() // nab the viral dna CRISPR.cas9.chop() // kill the virus! continue
Legal, não é? Decifrar esse enigma poderia render ao autor um doutorado ou transformar um professor assistente em professor, mas agora você pode até ganhar um Prêmio Nobel por isso - afinal, estamos falando de uma descoberta que pode mudar o destino da humanidade. O fato é que várias equipes diferentes trabalharam independentemente nele (e agora estão competindo entre si [2]), e uma percepção incrível caiu sobre cada uma dessas equipes. Eles perceberam que o sistema imunológico, criado como resultado de milhões de anos de evolução, poderia revolucionar a engenharia genética. Se os cientistas tiverem a oportunidade de usar o mecanismo CRISPR, eles podem isolar e cortar com precisão fragmentos individuais de DNA. Além disso, com a ajuda de CRISPR e duas proteínas Cas9 diferentes, eles serão capazes de cortar com precisão segmentos inteiros de estruturas arbitrárias. Certo,esta é apenas metade da tarefa de edição do genoma. Depois de remover a sequência indesejada, você precisará inserir os genes de que precisamos em seu lugar. Acontece que é muito simples. Você só precisa introduzir o (s) gene (s) com o (s) qual (is) deseja substituir os fragmentos deletados, e as enzimas de restauração já existentes irão montar tudo por si mesmas.
Uma das coisas mais legais sobre o CRISPR é que ele é versátil (ao contrário da maioria dos métodos de edição de genoma já existentes - eles funcionam com um número limitado de organismos). Em teoria, o CRISPR pode funcionar com qualquer forma de vida (terrestre).
Vamos pensar por um momento sobre quanto bem o CRISPR pode fazer para o futuro da humanidade. Seremos capazes de neutralizar nossos inimigos no reino animal. Seremos capazes de tratar doenças genéticas. Talvez possamos desenvolver uma terapia contra qualquer doença viral ou bacteriológica, e essa terapia será individual e extremamente eficaz. Talvez possamos até encontrar uma cura para o câncer. E (ou talvez devêssemos dizer "mas") teremos a oportunidade de criar pessoas "por ordem individual", ou, nesse caso, quaisquer outras formas de vida.
Este é o CRISPR - a mais poderosa tecnologia de engenharia genética já criada. No entanto, CRISPR nos permite alterar apenas um gene e apenas um organismo de cada vez. Para fazer alterações em todo o nível de visão, o CRISPR requer outra tecnologia: Gene Drive. Vamos primeiro defini-lo e então fazer uma digressão rápida, mas apropriada, e falar sobre um dos hacks mais famosos da história da programação.
O conceito Gene Drive existe há cerca de 15 anos. Certas versões de genes (também conhecidas como alelos) estão espalhadas por gerações em espécies sexualmente reprodutivas. Isso significa que o alelo é herdado por cada um dos filhos com 50% de probabilidade (desde que apenas um dos pais tenha essa versão em particular), já que metade do DNA dos filhos vem de cada um dos pais. Portanto, se tivermos um alelo para olhos azuis e um alelo para castanhos, os olhos do seu filho serão azuis ou castanhos com 50% de probabilidade. É óbvio que independentemente de fatores externos na próxima geração, o alelo será transmitido com uma probabilidade de 25% e assim por diante. De quais fatores externos estamos falando? O mais óbvio é a seleção natural. Se um certo alelo dá ao seu proprietário uma certa vantagem,então, é mais provável que os nomes sejam passados para a população seguinte. Gene Drive é um mecanismo que torna os genes "egoístas", aumentando a probabilidade de sua herança com uma probabilidade de mais de 50%, independentemente da influência da seleção.
Essa ideia é muito importante se quisermos usar o CRISPR para causar um grande impacto em populações inteiras. Por exemplo, para mudar os mosquitos de modo que não espalhem mais a malária, precisaremos não aplicar o CRISPR a milhões de mosquitos e ver como nossas mudanças enfraqueceram ao longo das gerações (assumindo que essas mudanças não trazem nenhum benefício à espécie), mas usar Gene Drive, porque essa tecnologia é muito mais eficiente em espalhar genes em uma população. É aqui que um novo personagem aparece em nossa história, Kevin Esvelt do MIT. A ideia de Esvelt era usar Gene Drive combinado com a precisão excepcional do CRISPR. Assim, ele conseguiu criar a tecnologia Gene Drive mais poderosa da história.
Para entender o que ele fez, vamos tocar no mundo do software. Em 1984, Ken Thompson, o inventor do sistema operacional Unix e um dos maiores programadores de todos os tempos, escreveu sobre seu [3] hack favorito. Eles escreveram um vírus recursivo brilhante que poderia infectar qualquer infraestrutura Unix-OC. Funcionava assim:
- Thompson primeiro modificou o código-fonte do programa de autorização padrão do Unix (escrito em C). Isso foi necessário para criar um backdoor secreto que permite que você se torne qualquer usuário no sistema.
if (senha == "senha" ou senha == "senha especial Ken")
usuários autorizados
if (senha == "senha do usuário" ou senha == "senha especial ken"),
o usuário de login.
Esse hack simples deu a Thompson acesso total a qualquer sistema Unix no qual sua versão do programa de login estivesse embutida. Mas era óbvio para todos que viram o código-fonte deste programa.
- Então (e este é um momento verdadeiramente insidioso) Thompson modificou o código-fonte do compilador C para que ele pudesse reconhecer a compilação do código para login e injetar o código viral no arquivo resultante, independentemente de qual código-fonte foi inserido. [4]
Assim, o código que deveria reconstruir todo o kernel do sistema Unix foi alterado para criar uma versão hackeada do sistema operacional. E este é um bom análogo de como Kevin Esvelt conseguiu quebrar o DNA.
Esvelt percebeu que o DNA é o compilador da própria vida. Tudo na vida, incluindo cadeias CRISPR, foi criado por este compilador. Então, como Thompson, Esvelt percebeu que você pode modificar o próprio compilador para mudar o que ele compila (não importa quais instruções são usadas no programa original). Considere uma descrição simplificada do hack do Esvelt:
- Crie uma cadeia CRISPR que será aplicada ao DNA do embrião para fazer as mudanças desejadas. Por exemplo, vamos substituir o gene para olhos castanhos pelo gene para azuis.
- CRISPR, , , . , , .
- , , CRISPR, , , . , ( CRISPR) , .
- . , !
Esta é a essência do Gene Drive. Quaisquer mudanças que você fizer, elas serão reproduzidas em todos os descendentes com 100% de probabilidade [5]. Isso levará ao fato de que novos traços passarão pelo genoma de toda a espécie em um ritmo excepcional.
Conforme tentamos controlar vários organismos (de mosquitos a bactérias), haverá muitos usos e aplicações para a tecnologia Gene Drive. No entanto, vamos imaginar aplicá-lo à nossa espécie. Alguns podem argumentar que é imoral modificar embriões humanos dessa forma. Políticos, líderes religiosos e especialistas em ética declararão que o uso de CRISPR (especialmente para mudar a humanidade) é ilegal. Por outro lado, vamos pensar nos benefícios. As doenças genéticas podem ser completamente eliminadas antes do nascimento do bebê. Além disso, estamos entendendo cada vez melhor a estrutura e a estrutura do genoma - imagine todos os benefícios que podemos dar aos nossos filhos (e com a ajuda do Gene Drive - e aos filhos dos nossos filhos). Pense sobre os benefícios para a sociedade,talvez possamos aumentar o QI de todas as crianças em 10 (ou 20 ou 30) pontos.
O que pode prevenir e impedir que as pessoas mudem as características da população? Voltando ao exemplo acima, o que acontece quando (e se) os cientistas têm uma compreensão completa da base genética da inteligência avançada? O que impedirá os governos de proibir mudanças em suas populações? E o que os governos rivais escolheriam fazer?
Nós do YCombinator já começamos a investir em startups de CRISPR e acho que vamos desenvolver essa direção. É importante entender que, uma vez que os “programadores” genéticos tenham acesso ao código da vida, não haverá limites. A variedade de aplicações (existentes e potenciais) é impressionante agora. Os cientistas usaram o CRISPR para alterar o genoma das cabras, de modo que elas produzam seda de aranha (um material muito incomum e difícil de produzir em grandes quantidades) em seu leite! Também foi sugerido que o CRISPR pode tratar a hemofilia e até mesmo substituir os antibióticos. Cientistas chineses usaram o CRISPR para alterar embriões humanos (não viáveis), e este caso causou muita controvérsia. Humanos com motor CRISPR não estão tão distantes quanto parecem.
As técnicas e tecnologias de aplicação do CRISPR estão cada vez melhores. Eles se tornam mais precisos, previsíveis e baratos. Estamos aprendendo cada vez mais sobre o código genético (em parte devido ao fato de que com o CRISPR podemos ver o que acontece quando retiramos um gene e inserimos outro em seu lugar). A tecnologia não pode ser interrompida e há uma conclusão inevitável: em um futuro não muito distante, seremos capazes de programar quase qualquer criatura como desejarmos. Incluindo pessoas. Se iremos resistir ao impulso de revisar as definições da existência humana é uma questão em aberto. Acho que um passo decisivo por parte de algum indivíduo ou sociedade é apenas uma questão de tempo.
Agradecimentos a Sam Altman, Craig Cannon, Karen Leanne e John Ralston que leram e comentaram as primeiras versões deste texto.
Links
RadioLab - CRISPR
Breakthrough DNA Editor Born of Bacteria - Quanta Magazine
Reescrevendo o Código da Vida - The New Yorker, 2 de janeiro de 2017 - Michael Spector
Emerging Technology: Concerning a RNA-guiado gene drives para a alteração de populações selvagens - Kevin M Esvelt, Andrea L Smidler, Flaminia Catteruccia e George M Church
CRISPR
Wiki Gene Drive Wiki
Notas
- Se você preferir ouvir em vez de ler, RadioLab tem um excelente podcast CRISPR disponível aqui.
- A UC Berkeley e o BROAD Institute em Massachusetts são os dois principais oponentes na disputa pelos direitos do CRISPR. A linha do tempo do trabalho da BROAD pode ser conferida aqui.
- As ramificações do hack de Ken Thompson são enormes. Aqui está o ensaio clássico de Thompson, “Reflexões sobre se a confiança pode ser feita”, e um bom resumo de suas descobertas.
- Se você ler sobre o hack de Thompson, descobrirá que ele foi ainda mais longe e modificou o compilador C para que pudesse se reconhecer e injetar o código de reconhecimento da rotina de autorização no programa de injeção de código.
- Esta afirmação não é totalmente verdadeira para todas as gerações. Embora a eficiência deva ser muito alta no início, a biologia costuma nos surpreender. Os pesquisadores descobriram que os organismos podem de fato desenvolver resistência ao Gene Drive (bem como a resistência aos antibióticos).
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