La recherche de la kryptonite qui peut arrêter CRISPR

Illustration conceptuelle des ciseaux à papier de roche et de l'ADN, du CRISPR et de l'Anti-crispr Mme Tech ; papier adn par: Jorge C. Lucero | Flickr ; pierre et ciseaux : pixabay

En septembre 2016, Jennifer Doudna a appelé un nouveau collègue nommé Kyle Watters à son bureau. À ce moment-là, le biochimiste de l'Université de Californie à Berkeley était célèbre en tant que co-inventeur de CRISPR. L'invention de l'outil rapide et polyvalent d'édition de gènes l'avait propulsée vers une notoriété mondiale et une richesse considérable. Elle était la fondatrice de plusieurs startups et avait collecté des millions en prix scientifiques.

De façon inquiétante, cependant, comme l'a fait Doudna raconté , elle était hantée par un rêve dans lequel Adolf Hitler apparaissait, tenant un stylo et du papier, demandant une copie de la recette CRISPR. Quel but horrible Hitler pouvait-il avoir ? Doudna, dans ses récits de son rêve, n'a pas dit.

Maintenant, la question de Doudna était, est-ce que Watters aimerait travailler sur un moyen de l'arrêter ? Arrêtez CRISPR.

CRISPR se trouve à l'intérieur des bactéries. C'est une défense vieille d'un milliard d'années contre les virus en maraude qui repère leur ADN et utilise une protéine en forme de ciseaux pour le hacher. Doudna a joué un rôle clé dans la transformation de la découverte en un outil révolutionnaire d'édition de gènes qui a été adopté dans le monde entier, propulsant une vague de nouvelle recherche et les remèdes potentiels.

Mais si les scientifiques apprennent à fournir des éditeurs de gènes à l'intérieur du corps des gens, qu'est-ce qui empêchera un fou, un terroriste ou un État d'utiliser CRISPR pour causer du tort ? Les gens imaginent des attaques personnalisées qui ne frapperaient que certains groupes ethniques ou des super soldats édités pour ne ressentir aucune douleur. Doudna connaissait bien le dilemme. Dans son livre Une fissure dans la création , elle a écrit qu'elle craignait que l'édition de gènes n'attire l'attention du monde, comme l'a fait l'énergie atomique, dans un champignon atomique. Pourrions-nous, ainsi que d'autres scientifiques concernés, sauver CRISPR de lui-même… avant qu'un cataclysme ne se produise ?

Maintenant, elle aurait une chance. Plus tôt en 2016, les agences de renseignement américaines avaient désigné l'édition de gènes comme une arme potentielle de destruction massive. En septembre, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) était intervenue, lançant un appel à de nouvelles façons de contrôler ou d'inverser les effets de la technologie d'édition de gènes. Le programme, appelé Gènes sûrs , se retrouverait avec un budget de plus de 65 millions de dollars, ce qui en ferait l'une des plus importantes sources de liquidités pour la recherche CRISPR, à l'exception des startups biotechnologiques développant de nouveaux traitements génétiques.

L'un des problèmes, selon la DARPA, était l'absence de contre-mesure, de bouton d'annulation ou d'antidote facile à utiliser pour CRISPR. Et plus l'édition de gènes devient puissante, plus nous pourrions en avoir besoin - en cas d'accident de laboratoire, ou pire. Comme UC Berkeley l'a dit dans un 2017 communiqué de presse après que Doudna, avec l'aide de Watters, ait réclamé une partie du gros contrat DARPA, l'université avait l'intention de construire des outils pour contrer les menaces bioterroristes, y compris des armes utilisant CRISPR lui-même.

Des armes CRISPR ? Nous laisserons à votre imagination exactement à quoi on pourrait ressembler. Ce qu'il est prudent de dire, cependant, c'est que la DARPA a demandé à Doudna et à d'autres de commencer à rechercher des traitements prophylactiques ou même des pilules que vous pourriez prendre pour arrêter l'édition de gènes, tout comme vous pouvez avaler des antibiotiques si vous avez reçu une lettre d'anthrax dans le poster. Les scientifiques du projet de Doudna disent qu'ils sont sur le point de commencer les premiers tests sur des souris pour voir si les rongeurs peuvent être immunisés contre les éditeurs CRISPR.

Pouvons-nous désactiver CRISPR ? demande Joseph S. Schoeniger, qui dirige une branche de l'effort de défense aux Sandia National Laboratories, à Livermore, en Californie. C'est ce que nous examinons. Le concept de base est que cette technologie arrive, [donc] ne serait-il pas agréable d'avoir un interrupteur 'off'.

Jennifer Doudna Alexander Heinl/picture-alliance/dpa/AP Images

Anti-CRISPR

Au moment où Doudna a rédigé sa proposition à la DARPA, d'autres scientifiques avaient déjà un gros indice sur la façon d'arrêter CRISPR. Dans l'ancienne lutte entre les bactéries et les virus appelés phages qui les infectent, les phages avaient développé leurs propres antidotes au CRISPR. En fait, il a été découvert que leurs génomes ont la capacité de produire ce qui est essentiellement de la kryptonite CRISPR, de petites protéines parfaitement ajustées par l'évolution pour désactiver l'outil d'édition de gènes. Les scientifiques appellent ces molécules anti-CRISPR.

Les premiers anti-CRISPR ont été découverts en 2013 par un étudiant de l'Université de Toronto nommé Joseph Bondy-Denomy. C'était un hasard. Nous sommes tombés sur le fait que certains phages semblaient résistants au CRISPR. Lorsque nous avons mis le phage dans une cellule, la bactérie ne pouvait pas se protéger, explique Bondy-Denomy, maintenant professeur à l'Université de Californie à San Francisco. Il a rapidement identifié l'un des quelque 50 gènes du virus comme raison. Nous avons pensé, wow, peut-être que cela désactive CRISPR.

Le nombre de laboratoires étudiant ces défenses est inférieur au nombre travaillant avec CRISPR. Mais l'anti-CRISPR est en train de devenir un domaine en plein essor à part entière. Plus de 40 protéines anti-CRISPR ont déjà été trouvées, dont beaucoup par le laboratoire de Doudna. D'autres équipes réussissent rapidement à localiser des produits chimiques conventionnels qui peuvent également inhiber CRISPR. Aujourd'hui, Amit Choudhary de la Harvard Medical School, à Boston, également avec un financement de la DARPA, signalé il avait trouvé deux médicaments qui empêchent l'édition de gènes lorsqu'ils sont mélangés à des cellules humaines. La caractéristique de toute technologie puissante est le contrôle, dit Choudhary. C'est si simple.

Des chercheurs comme Bondy-Denomy pensent que les anti-CRISPR pourraient jouer un rôle dans l'amélioration des futurs traitements d'édition de gènes, en donnant aux chercheurs un contrôle plus précis. Par exemple, une équipe en Allemagne a récemment montré si elle CRISPR et anti-CRISPR combinés , ils pourraient créer un éditeur qui modifiera l'ADN uniquement dans les cellules hépatiques, pas dans les neurones ou les muscles.

Une autre application à l'étude est de savoir si l'anti-CRISPR pourrait créer une protection contre le forçage génétique. La Fondation Bill & Melinda Gates soutient le développement d'un outil CRISPR qui se propagera à travers les moustiques sauvages, provoquant l'effondrement de leurs populations, dans le but de prévenir le paludisme. D'autres veulent développer de tels forçages génétiques chez la souris, afin qu'ils puissent éradiquer les rongeurs des îles sans utiliser de poison.

Mais que se passe-t-il si ces expériences tournent mal et conduisent à une extinction ? Les chercheurs pensent qu'ils peuvent créer des organismes avec un anti-CRISPR programmé dans leurs génomes afin qu'ils soient immunisés. Dans une première démonstration de principe, scientifiques du Kansas l'année dernière, des cellules de levure ont été conçues avec un anti-CRISPR pour résister à un forçage génétique. Si un laboratoire nord-coréen vient à vous avec un forçage génétique pour anéantir une culture économiquement importante, vous pourriez avoir une culture transgénique qui [est résistante]. C'est le scénario de la planche à dessin, explique Erik Sontheimer de la faculté de médecine de l'Université du Massachusetts.

Une biosurprise

L'avènement de l'outil CRISPR à partir de la mi-2012 a surpris les scientifiques. Essentiellement du jour au lendemain, les méthodes de génie génétique maladroites ont été remplacées par un moyen bon marché, polyvalent et programmable de modifier l'ADN à l'intérieur de tout être vivant. Les prévisionnistes dont le travail consistait à anticiper de nouveaux dangers ont totalement manqué CRISPR, dit Renée Wegrzyn , le scientifique de la biodéfense qui dirige le programme de la DARPA. L'humble échec à voir l'avenir s'est rapidement transformé en un problème urgent et critique pour la sécurité nationale.

En effet, des chercheurs, des médecins et des startups soutenus par des capital-risqueurs ont lancé une course pour apprendre à déployer CRISPR à l'intérieur des plantes, des animaux et des humains, en utilisant des virus, des injections, des nanoparticules ou des chocs électriques. Et plus ils y parvenaient, plus une sorte de nouvelle menace biologique pouvait devenir réaliste.

En 2015, Doudna avait également commencé à se demander comment CRISPR était utilisé dans des environnements de recherche en laboratoire plus courants. Certaines des expériences semblaient dangereuses – et si un étudiant diplômé était blessé ? Nous diffusons ces technologies dans le monde, et nous ne les accompagnons pas avec les mesures de sécurité qui devraient être en place, a déclaré Wegrzyn lors d'une réunion du Fondation Long Now , en 2017, à San Francisco. J'ai vraiment commencé à ressentir ce sentiment d'urgence que quelqu'un devait faire quelque chose à ce sujet.

Dans son discours, Wegrzyn a déclaré que le danger de CRISPR était évident compte tenu de la façon dont les scientifiques utilisaient déjà l'édition de gènes pour rendre les souris malades en coupant des gènes importants. Je ne pense pas qu'il soit nécessaire d'être un expert en biosécurité pour reconnaître qu'un examen minutieux est nécessaire lorsque vous examinez un outil qui peut à la fois guérir et provoquer des maladies, a-t-elle déclaré au rassemblement californien. Si nous devons arrêter un éditeur de gènes immédiatement, nous ne savons tout simplement pas comment procéder.

Il n'y a toujours pas d'accord sur la dangerosité de CRISPR entre de mauvaises mains. Les exercices de l'équipe rouge parrainés par la Central Intelligence Agency au cours de l'été 2016, où un groupe d'analystes appelé les Jasons ont été invités à imaginer leurs pires idées, n'ont pas réglé la question. Plus tard, les Académies nationales des sciences, de l'ingénierie et de la médecine, à la demande du ministère de la Défense, ont produit un classement complet des menaces possibles de la biologie synthétique, plaçant les armes CRISPR vers le milieu du peloton. L'armée a déclaré qu'elle ne voyait aucun danger imminent pour les soldats.

Doudna convient que les dangers de CRISPR ne doivent pas être exagérés. Je reçois beaucoup de questions sur les systèmes CRISPR et les utilisations néfastes, et j'ai le sentiment que je ne suis ni plus ni moins préoccupé par CRISPR que par d'autres choses. Quelqu'un pourrait synthétiser le virus de la variole, dit-elle. De même, bien que ses recherches puissent conduire à un éventuel antidote d'édition de gènes, les travaux de son laboratoire sur les anti-CRISPR portent principalement sur des questions biologiques fondamentales. J'en suis encore à la première étape, dit-elle. Comment fonctionnent-ils ?

D'autres, cependant, craignent que les risques ne soient déjà apparents et que les antidotes ne puissent arriver assez tôt. Par exemple, certains scientifiques ont cherché à empêcher le débat public sur des études CRISPR spécifiques, voire à en supprimer la mention sur Internet, vraisemblablement pour donner aux scientifiques plus de temps pour développer des contre-mesures. L'attitude générale qui prévaut est de ne pas alimenter les cauchemars pendant que nous recherchons activement des réponses. On s'inquiète toujours d'une panique précoce, dit l'ancien collaborateur de Doudna, Watters, qui en 2018 a rédigé une critique de les implications de l'édition de gènes pour la biosécurité .

Une vidéo montrant CRISPR éditant l'ADN en temps réel Osamu Nureki, Nature Communications

Défense CRISPR

Cette année, dans le cadre du projet DARPA de Doudna, des équipes de scientifiques prévoient de commencer leurs premières expériences - chez des souris - pour déterminer s'il est possible de les protéger du CRISPR. Un laboratoire impliqué dans le travail se trouve aux Sandia National Laboratories, qui emploiera des souris préparées pour l'édition car elles sont conçues pour naître avec les ciseaux moléculaires de CRISPR, une protéine appelée Cas9, dans chaque cellule.

Schoeniger, qui dirige l'effort de Sandia, dit que bientôt son laboratoire demandera aux souris de s'éditer elles-mêmes, mais leur donnera également une injection de molécules anti-CRISPR, pour voir si le processus est bloqué. L'anti-CRISPR fonctionne bien dans la nature, et nous essayons de voir s'il fonctionne bien chez les animaux, dit-il.

Schoeniger pense qu'il existe un risque important d'exposition accidentelle aux agents CRISPR. Alors qu'une grande industrie bondit autour de l'outil d'édition, CRISPR est formulé dans les thérapies géniques, les injections, les onguents et les aliments, ce qui augmente le risque d'accident de laboratoire. Même un programme secret d'armes biologiques est plus susceptible de libérer un germe de conception par accident que de lancer une attaque. Comme les gens l'utilisent en quantités de plus en plus importantes, il y a un risque accru que des personnes entrent en contact, se fassent poignarder ou pulvériser, dit-il. Et si je reçois un mutagène pulvérisé dans mes yeux, ce serait bien de l'arrêter.

Travailler sur un antidote pourrait également être utile tout comme les relations publiques. Cela pourrait, à tout le moins, réduire l'accessibilité mentale à une personnalité maligne, dit Schoeniger. Si vous pouvez l'éteindre, peut-être qu'ils ne s'en soucieront pas. D'un point de vue psychologique, c'est bien d'avoir un bouton 'off'. C'est bien pour positionner cette technologie dans la société.

Schoeniger ne se fait pas l'illusion qu'un antidote à CRISPR fera disparaître les menaces. En fait, le problème de sécurité s'aggrave, à mesure que les laboratoires améliorent l'outil et en inventent d'autres, chacun ayant des implications différentes pour les biodéfenseurs. Les scientifiques peuvent se sentir déconcertés par la vitesse fulgurante à laquelle l'édition de gènes, et plus largement la biologie synthétique, s'accélère, et par la façon dont les informations se propagent en ligne.

Nous examinons le front de risque global de la technologie, comment elle continue d'évoluer, et à quel point [il est] difficile de rester au top, et à quelle vitesse les gens lancent des scénarios, et il est difficile de gérer rationnellement ce risque, dit Schoeniger . En attendant, dit-il, apprendre à bloquer CRISPR, dans sa forme classique et la plus simple, semble être un bon point de départ. Il semble évident que nous aimerions moduler la technologie, alors faisons-le tout en essayant de trier les priorités, dit Schoeniger. Dans une certaine mesure, c'est un gâchis; la nouvelle technologie explose si vite.

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