Sistem CRISPR Baru Ditemukan, Meningkatkan Presisi Penyuntingan Gen

Apa yang membuat kita unik? Berbeda dari kebanyakan, namun mirip dengan beberapa? Apa yang membentuk fisik, perilaku, bahkan mental kita? Jawabannya terletak pada gen kita.

Diturunkan dari orang tua ke keturunan mereka, gen mengandung informasi yang menentukan sifat fisik dan biologis.

Namun itu bukan semuanya. Gen juga bertanggung jawab atas penyakit. Gen yang rusak dapat menyebabkan berbagai masalah yang dapat muncul sebagai cacat lahir, penyakit kronis, atau masalah perkembangan.

Cara canggih untuk mengatasinya adalah melalui penyuntingan gen atau genom, yang memungkinkan ilmuwan membuat perubahan presisi pada DNA. Penyuntingan gen melibatkan penambahan, penghapusan, atau perubahan materi genetik pada lokasi tertentu.

Perubahan spesifik dan terarah pada DNA ini dapat menghasilkan perubahan pada sifat fisik atau risiko penyakit. 

Teknologi ini tidak hanya digunakan untuk mengobati penyakit genetik dengan memperbaiki gen yang rusak, tetapi juga untuk mengembangkan perawatan baru dan memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang fungsi gen. Selain itu, teknologi ini dapat meningkatkan tanaman dengan membuat perubahan presisi pada DNA mereka. Teknologi penyuntingan gen yang terkenal dan banyak digunakan adalah CRISPR-Cas9, yang didasarkan pada sistem pertahanan bakteri yang terjadi secara alami.

CRISPR-Cas9 berasal dari CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), sistem imun bakteri yang membantu bakteri melawan infeksi virus dengan mengenali dan menghancurkan DNA virus. 

Dalam sistem ini, CRISPR berfungsi sebagai perangkat homing genetik, sementara Cas9, sebuah protein, berfungsi sebagai ‘gunting’ molekuler untuk memotong DNA pada lokasi tertentu. Ini lebih sederhana, lebih murah, dan lebih presisi dibandingkan teknik penyuntingan gen sebelumnya. 

Sebuah metode penyuntingan genom berbasis teknologi CRISPR-Cas9 sebenarnya mendapatkan Penghargaan Nobel dalam bidang Kimia pada tahun 2020. Ini merupakan pertama kalinya dalam sejarah Nobel diberikan kepada dua wanita.

CRISPR: Mengubah Biologi Modern dengan Penyuntingan Gen

CRISPR pertama kali diidentifikasi beberapa dekade yang lalu. Pada tahun 1987, Yoshizumi Ishino dan timnya di Universitas Osaka mengamatinya dalam genom bakteri (E. coli). Namun, baru pada awal 2000-an peran CRISPR sebagai sistem imun bakteri diidentifikasi.

Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi ini telah berkembang secara signifikan dan telah mengubah biologi modern.  

Salah satu contohnya adalah penggunaan CRISPR–Cas9 untuk memodifikasi sel embrio manusia, memungkinkan perubahan genetik diturunkan ke generasi mendatang. Hal ini secara luas ditolak, dengan seruan untuk melarang modifikasi genetik yang dapat diwariskan.

Selain itu, CRISPR–Cas9 dan teknologi terkait juga berhasil digunakan untuk menyembuhkan penyakit yang mengancam jiwa. 

Dalam tiga bulan pertama tahun ini saja, beberapa peneliti telah menggunakan CRISPR untuk mencapai sejumlah terobosan.

Awal bulan ini, tim ilmuwan di Colossal Biosciences menciptakan ‘tikus berbulu’—tikus dengan bulu panjang mirip mamut berbulu yang telah punah. Mereka melakukannya dengan menyunting simultan tujuh gen yang terkait dengan pertumbuhan rambut, warna, dan tekstur.

Tim tersebut sedang mengerjakan beberapa proyek de-ekstinsi, termasuk thylacine dan dodo, dengan mamut sebagai proyek unggulan mereka. Semua proyek ini melibatkan pengambilan sel punca dari spesies yang berhubungan dekat dengan spesies yang punah, kemudian menyunting perubahan berdasarkan genom spesies yang telah mati. Untuk ini, para peneliti menggunakan variasi sistem CRISPR/Cas9 dan CRISPR/Cas.

Bulan lalu, ilmuwan di McGovern Institute for Brain Research MIT dan Broad Institute of MIT and Harvard menemukan¹ sistem kuno yang dipandu RNA yang dapat memperluas kotak peralatan penyuntingan genom dan menyederhanakan pengiriman terapi penyuntingan gen.

Sistem-sistem ini, yang disebut TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), dapat diprogram ulang untuk menargetkan urutan DNA apa pun. Mereka juga memiliki modul fungsional yang berbeda yang bekerja pada DNA yang ditargetkan. Selain modularitasnya, TIGR sangat kompak.

Menurut Feng Zhang, Profesor Neurosains di MIT, yang timnya sebelumnya mengadaptasi sistem CRISPR bakteri menjadi alat penyuntingan gen dan menemukan berbagai protein yang dapat diprogram:

“Ini adalah sistem yang sangat serbaguna yang dipandu RNA dengan banyak fungsi beragam.” 

Dalam pekerjaan terbaru mereka, tim memfokuskan pada fitur struktural protein CRISPR-Cas9 yang mengikat panduan RNA enzim. Mereka telah menemukan lebih dari 20.000 protein Tas yang berbeda, menguji puluhan di antaranya, dan menunjukkan bahwa beberapa dapat diprogram untuk membuat pemotongan terarah pada DNA di sel manusia. Mereka kini berencana mengembangkan sistem TIGR-Tas menjadi alat yang dapat diprogram.

Ilmuwan bahkan sedang mengeksplorasi penyuntingan gen untuk memperbaiki trisomi pada tingkat seluler. Baru-baru ini mereka berhasil menghilangkan salinan ekstra kromosom 21 pada lini sel sindrom Down menggunakan CRISPR-Cas9, mengembalikan ekspresi gen normal.

Sindrom Down terjadi ketika ada salinan ekstra kromosom 21. Kondisi ini memengaruhi sekitar 1 dari 700 kelahiran hidup, dan meskipun dapat didiagnosis dengan mudah pada awalnya, saat ini belum ada pengobatan untuk kondisi ini.

Namun terobosan terbaru, yang dicapai pada sel yang ditumbuhkan di laboratorium, berhasil menghilangkan kromosom ekstra dari lini sel trisomi 21, yang berasal baik dari sel punca pluripoten maupun fibroblas kulit, meninggalkan hanya satu salinan dari masing-masing orang tua, bukan dua salinan identik.

Meskipun belum siap untuk digunakan pada organisme hidup, hal ini menunjukkan potensi untuk aplikasi pada neuron dan sel glial.

Dalam contoh lain, ilmuwan China telah membangun sistem penyuntingan gen yang lebih aman menggunakan virus mematikan seperti demam berdarah untuk meningkatkan efisiensi dan keamanan. Sistem ini menggunakan mRNA untuk menghindari risiko DNA asing yang tertinggal dan menyebabkan mutasi yang tidak diinginkan.

Menurut tim peneliti, sistem pengiriman mRNA yang dioptimalkan “meningkatkan fleksibilitas dan penerapan penyuntingan genom tanpa transgen pada tanaman.”

Jadi, teknologi penyuntingan gen telah merevolusi tidak hanya biologi manusia tetapi juga pertanian dengan memodifikasi DNA tanaman untuk meningkatkan sifat yang diinginkan seperti hasil tinggi.

Baru bulan ini, ilmuwan dari Johns Hopkins University dan Cold Spring Harbor Laboratory menemukan gen kunci yang menentukan ukuran buah. Gen-gen ini dapat dikendalikan dengan CRISPR, membuka jalan bagi hasil yang lebih besar dan lebih beraroma.

Penelitian ini merupakan bagian dari inisiatif yang lebih luas untuk memetakan genom lengkap 22 tanaman nightshade, termasuk kentang, terong, dan tomat, guna memahami dan meningkatkan sifat genetik mereka.

“Setelah Anda melakukan penyuntingan gen, hanya satu biji saja yang diperlukan untuk memulai revolusi.”

– Penulis utama bersama Michael Schatz, seorang ahli genetika di Johns Hopkins University

Semua perkembangan ini menunjukkan sejauh mana teknologi ini telah melaju, namun ini baru permulaan. Peneliti di Duke University dan North Carolina State University kini telah menemukan sistem CRISPR-Cas baru yang lebih meningkatkan kemampuan teknologi penyuntingan gen yang ada.

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang CRISPR-Cas9. 

Meningkatkan CRISPR: Sistem Baru Meningkatkan Presisi Penyuntingan Gen

Sejak sistem CRISPR-Cas pertama kali ditemukan pada bakteri, banyak ortolog telah diidentifikasi. Ortolog adalah gen yang berevolusi dari gen leluhur bersama melalui peristiwa spesiasi. Mereka hadir di berbagai spesies dan berpotensi mempertahankan fungsi yang sama.

Setidaknya enam tipe dan 33 subtipe ortolog telah dikarakterisasi, namun meskipun itu, sistem tipe II paling banyak digunakan dalam bioteknologi dan penelitian biomedis. Sistem tipe II ini menggunakan Cas9 untuk memotong DNA.

Kemudahan memprogram ulang situs target Cas9 membuatnya sangat populer dan memicu gelombang terapi penyuntingan genom yang potensial.

Namun, meskipun banyaknya sistem CRISPR-Cas9 bakteri, hanya sedikit yang efektif di sel manusia, membatasi potensi keseluruhan teknologi CRISPR.

Hal ini menciptakan kebutuhan akan ortolog Cas9 tambahan untuk memperluas jangkauan urutan DNA yang dapat ditargetkan. Ini juga akan membantu mengatasi keterbatasan ukuran pengiriman dan meningkatkan spesifisitas serta efisiensi penyuntingan gen CRISPR-Cas9.

Jadi, peneliti dari Duke University dan NC State University menelusuri ribuan genom bakteri untuk menemukan sistem CRISPR-Cas baru dan menemukan beberapa yang dapat ditambahkan ke kotak peralatan penyuntingan gen.

Studi tersebut, yang dipublikasikan dalam Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² bulan ini, secara efektif memperluas dampak teknologi pada penelitian, kedokteran, dan bioteknologi.

“Sungguh luar biasa bahwa sistem CRISPR-Cas pertama yang digunakan peneliti pada sel manusia masih menjadi yang paling efektif. Kami ingin menelusuri bakteri yang ditemukan di lingkungan yang lebih tersembunyi untuk menemukan sistem CRISPR yang berbeda yang mungkin memiliki kemampuan berbeda.”

– Charlie Gersbach, Profesor Biomedical Engineering di Duke

Di antara genom bakteri yang baru ditemukan, satu sistem khusus yang berasal dari bakteri, yang biasanya ditemukan pada sapi perah, menunjukkan potensi untuk kesehatan manusia.

Efektor ortogonal ini memungkinkan penargetan komplementer dan fleksibel dari berbagai urutan genetik untuk penyuntingan genom generasi berikutnya.

Sistem ini juga sangat efisien, sebanding dengan Streptococcus pyogenes CRISPR-Cas9 yang banyak digunakan. Streptococcus pyogenes adalah spesies bakteri yang menjadi dasar CRISPR-Cas9 dan sebagian besar penelitian selanjutnya yang menggunakan CRISPR.

Menurut Rodolphe Barrangou, Profesor Food, Bioprocessing and Nutrition Sciences di NC State:

“Ada jauh lebih banyak keragaman sistem CRISPR-Cas di alam daripada yang diperkirakan orang, dan sangat berguna untuk menambang efektor beragam dengan potensi fungsional sebagai mesin molekuler.”

Beberapa tahun sebelum makalah tentang teknologi ini menerima Penghargaan Nobel, Barrangou telah mengkarakterisasi CRISPR sebagai sistem pertahanan pada bakteri yang digunakan dalam kultur starter susu, dan sejak itu, laboratoriumnya telah mengeksplorasi keragamannya untuk probiotik, produksi makanan, penyuntingan genom pohon, dan mengubah sifat kayu.

Barrangou mengatakan hal berikut tentang penelitian terbaru:

“Meskipun beberapa efektor yang sudah ada seperti SpyCas9 telah menunjukkan potensi besar di klinik, kami perlu memperluas kotak peralatan CRISPR untuk manipulasi generasi berikutnya pada genom, transkriptom, dan epigenom.” 

Dia telah mengembangkan program bernama “CRISPRdisco,” yang mengidentifikasi sistem CRISPR-Cas dalam basis data besar genom bakteri. Program tersebut membantu peneliti mengidentifikasi lebih dari 1000 sistem CRISPR yang belum dieksplorasi.

Para peneliti menyaring sistem tersebut menjadi hanya 50 kandidat untuk laboratorium Gersbach rekayasa.

Setelah menguji sistem CRISPR ini pada sel manusia untuk kemampuan mereka sebagai aktivator gen, repressor, serta penyunting genetik dan epigenetik, empat sistem menonjol karena keberhasilan masing-masing.

Salah satunya (SubCas9) sangat luar biasa karena versatilitasnya. Komponen CRISPR yang menjanjikan ini ditemukan pada bakteri Streptococcus uberis, yang umum terdapat pada sapi perah dan juga digunakan dalam beberapa produk probiotik manusia.

Para peneliti bersemangat tentang SubCas9 karena beberapa alasan. Pertama, ukuran sistem baru yang kecil — lebih kecil daripada pisau molekuler DNA Cas9 yang biasanya digunakan — memungkinkan pengirimannya lebih mudah ke dalam sel manusia. 

Selain itu, ia dapat menargetkan urutan gen unik yang tidak dapat diakses oleh sistem lain, termasuk pasangan aslinya. 

Cas9 yang biasanya digunakan bekerja pada target genomik yang berdekatan dengan urutan DNA ‘GG’, yang merupakan “urutan DNA yang cukup umum.” Namun, jika tidak ada GG di dekatnya, diperlukan alternatif, dan sistem baru ini menawarkan itu dengan bekerja pada situs yang berdekatan dengan pola “AATA” atau “AGTA”.

“Sistem ini dapat memberi peneliti fleksibilitas untuk menggunakan Cas9 yang berbeda ketika mereka membutuhkan presisi tinggi dalam pemilihan situs target.”

– Gabe Butterfield, peneliti postdoc di Laboratorium Gersbach

Selain itu, sistem ini lebih kecil kemungkinannya dikenali oleh sistem imun manusia karena S. uberis biasanya tidak ditemukan pada manusia. Hal ini berbeda dengan spesies bakteri lain, yang biasanya menjadi sumber protein Cas9 yang lebih umum. 

Jadi, jika digunakan dalam aplikasi terapeutik, sistem imun kebanyakan orang tidak akan mengenali SubCas9 dari paparan alami sebelumnya.

“Selain potensi untuk aplikasi terapeutik, kami juga menghargai bahwa bakteri yang beradaptasi dengan habitat beragam menyimpan efektor yang lebih cocok untuk berbagai jenis inang, dengan potensi besar untuk menemukan sistem yang lebih cocok bagi tanaman, ternak, dan aplikasi lingkungan.”

– Barrangou

Langkah selanjutnya, para peneliti akan meneliti kemampuan SubCas9 untuk melewati kekebalan yang sudah ada seperti yang diharapkan. Mereka juga menguji integrasinya ke dalam sejumlah terapi sel dan gen. Peneliti mungkin juga kembali ke basis data metagenomik bakteri yang besar untuk menemukan lebih banyak sistem CRISPR untuk diselidiki.

Secara keseluruhan, kemajuan terbaru dalam penyuntingan gen CRISPR-Cas9 menghadirkan terobosan besar yang dapat secara signifikan meningkatkan teknik terapi gen, memungkinkan perawatan yang lebih presisi dan efisien untuk gangguan genetik, kanker, dan penyakit lainnya. 

Mengingat kecepatan penelitian CRISPR yang cepat, sistem baru ini dapat diintegrasikan ke dalam aplikasi klinis dalam 3 hingga 5 tahun ke depan, dengan catatan memerlukan validasi lebih lanjut dan persetujuan regulatori.​

Perusahaan Inovatif

Editas Medicine, Inc. (EDIT )

Editas Medicine adalah perusahaan penyuntingan genom terkemuka yang fokus mengembangkan terapi berbasis CRISPR untuk mengobati berbagai penyakit serius.

Ini adalah perusahaan penyuntingan genom tahap klinis yang mengembangkan obat penyuntingan gen yang diberikan secara in vivo, di mana pengobatan disuntikkan langsung ke pasien untuk menyunting sel di dalam tubuh mereka. CEO Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc pada awal bulan ini, saat membagikan pembaruan bisnis, mengatakan:

“Tujuan dan strategi kami untuk menjadi pemimpin dalam penyuntingan gen in vivo dipercepat pada kuartal keempat setelah kami mencapai bukti konsep praklinis in vivo lebih awal dari jadwal dan membagikan data praklinis in vivo positif yang menunjukkan potensi teknologi platform kami untuk mencapai peningkatan ekspresi gen, atau memperkuat ekspresi protein yang ada untuk mencapai tingkat yang relevan secara klinis yang berpotensi menghasilkan penyembuhan di seluruh jaringan dengan satu dosis.” 

Pada saat penulisan, saham perusahaan dengan kapitalisasi pasar $117 juta diperdagangkan pada $1,41, naik 11,02% YTD. EPS (TTM)-nya adalah -2,88, dan rasio P/E (TTM) adalah -0.48.

Awal bulan ini, perusahaan melaporkan hasil keuangan kuartal keempat dan tahun penuh 2024. Kerugian bersih sebesar $45,4 juta, atau $0,55 per saham, jauh lebih besar daripada $18,9 juta yang tercatat pada Q4 2023.

Pendapatan menurun menjadi $30,6 juta, dan biaya penelitian serta pengembangan meningkat menjadi $48,6 juta selama periode ini.

Pada akhir 2024, perusahaan memiliki $269,9 juta dalam bentuk kas, setara kas, dan sekuritas yang dapat diperdagangkan, sedikit lebih baik dibandingkan dengan akhir kuartal sebelumnya. Menurut pengumuman perusahaan, dana ini, bersama dengan bagian yang dipertahankan dari pembayaran yang harus dibayar berdasarkan perjanjian lisensi dengan Vertex Pharmaceuticals (VRTX ), akan mendanai baik biaya operasional maupun belanja modal hingga kuartal kedua 2027.

Untuk tahun penuh 2024, kerugian bersih sebesar $237,1 juta, atau $2,88 per saham, pendapatan kolaborasi menurun menjadi $32,3 juta, biaya R&D meningkat menjadi $199,2 juta, biaya umum dan administrasi meningkat menjadi $72 juta, dan biaya restrukturisasi sebesar $12,2 juta.

Pencapaian terbaru perusahaan mencakup menunjukkan bukti konsep praklinis (PoC) pada tikus yang dihumanisasi dan primata non-manusia.

CTO Linda C. Burkly, Ph.D., mengatakan hal ini menunjukkan kemampuan perusahaan untuk “mencapai penyuntingan gen in vivo melalui peningkatan ekspresi gen untuk meningkatkan tingkat protein yang berfungsi guna mengatasi penyakit yang disebabkan oleh kehilangan fungsi atau mutasi berbahaya.” Ia lebih lanjut menyampaikan potensi strategi peningkatan ekspresi gen ini di berbagai jaringan dengan program ‘plug ‘n play’.

Editas juga menyatakan bahwa mereka berada pada jalur untuk mengumumkan kandidat pengembangan in vivo untuk Sel Induk Hematopoietik dan sel hati pada pertengahan 2025, dan pada akhir tahun, mereka berencana membagikan lebih banyak data praklinis in vivo HSC dan hati.

Di tengah hal ini, perusahaan mengakhiri program reni-cel untuk mengobati penyakit sel sabit (SCD) setelah pencarian ekstensif gagal mendapatkan mitra komersial. Dengan langkah ini, perusahaan mulai mengambil langkah penghematan biaya, yang akan mengurangi jumlah karyawan sebesar 65%, sekitar 180 pekerjaan.

Terbaru tentang Editas Medicine, Inc.

Kesimpulan

Selama dekade terakhir, teknologi berbasis CRISPR telah merevolusi bioteknologi dengan memungkinkan penyuntingan genom. Mereka telah menciptakan peluang baru yang beragam untuk penelitian biomedis, penyuntingan genom terapeutik, dan epigenom. 

Pendekatan saat ini, bagaimanapun, menghadapi keterbatasan karena fokus yang tidak proporsional pada satu efektor Cas9 dengan efisiensi selektif dan spesifikasi penargetan yang terbatas. 

Penemuan sistem CRISPR-Cas baru menandai kemajuan besar dalam penyuntingan gen. Dengan memperluas presisi, efisiensi, dan fleksibilitas teknologi saat ini, studi terbaru menjanjikan perawatan yang lebih terarah untuk gangguan genetik dan hasil pertanian yang lebih baik. Dengan peneliti yang menyempurnakan sistem ini, begitu mereka diadopsi secara nyata, generasi berikutnya dari penyuntingan gen dapat membuka frontier baru dalam kedokteran dan bioteknologi!

Klik di sini untuk daftar perusahaan CRISPR teratas untuk diinvestasikan.