CRISPR-Cas: Converting a Bacterial Defence Mechanism into a State-of-the-art Genetic Manipulation Tool

Abstract

Bacteriophages are pervasive viruses that infect bacteria, relying on their genetic machinery to replicate. In order to protect themselves from this kind of invaders, bacteria developed an ingenious adaptive defence system, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR in short.Gene editing techniques have been around for over forty years, yet the limitations affecting their use are still significant in several fields of science. Ethical issues are one of the key concerns among the scientific community, mainly due to the harmful consequences that can result from the genetic manipulation of human and animal germlines. The insufficient precision and efficiency of currently available techniques are also two of the main deterrents against a more widespread use of genetic manipulation.Soon after the discovery of CRISPR systems, researchers realised that a specific type of CRISPR, CRISPR-Cas9, could be modified into a simple and efficient genetic engineering technology, with several improvements over currently used systems. This discovery set in motion a revolution in genetics, with new and improved CRISPR systems being used in plenty of in vitro and in vivo experiments in the latest years.In this dissertation, the author illustrates the mechanisms behind CRISPR-Cas systems as a means of bacterial immunity against phage invasion and how these systems were engineered to originate new genetic manipulation tools. Newfound CRISPR-Cas technologies and the up-and-coming applications of these systems on healthcare and other fields are also contemplated.

Os bacteriofagos são vírus ubíquos que infetam bactérias, utilizando a maquinaria genética destas para se replicarem. De modo a defenderem-se deste tipo de invasores, as bactérias desenvolveram um engenhoso sistema adaptável de defesa, de seu nome Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR na forma abreviada. Técnicas de edição genética já são utilizadas há mais de quarenta anos. No entanto, as limitações inerentes ao seu uso são ainda significantes em várias áreas científicas. Questões éticas são das preocupações com maior relevo para a comunidade científica, principalmente devido às consequências negativas que podem advir da manipulação da linhagem germinativa de humanos e animais. A precisão e eficiência insuficientes das técnicas atualmente disponíveis são também dois dos maiores entraves a um uso mais disseminado da manipulação genética.Pouco tempo depois da descoberta dos sistemas CRISPR, investigadores da área descobriram que um tipo de CRISPR, o sistema CRISPR-Cas9, podia ser transformado numa tecnologia de engenharia genética simples e eficaz, com várias melhorias relativamente às ferramentas utilizadas atualmente. Esta descoberta iniciou uma revolução no campo da genética, com tecnologias CRISPR novas e melhoradas a serem amplamente utilizadas em investigação in vitro e in vivo nos últimos anos. Neste trabalho, o autor descreve os mecanismos bacterianos de imunidade dos sistemas CRISPR-Cas contra infeção por fagos, e como estes sistemas foram reprogramados para dar origem a novas ferramentas de manipulação genética. Novas tecnologias CRISPR-Cas e as possíveis aplicações destes sistemas na saúde e outros campos são também contempladas.