Das CRISPR/Cas-System

Der nächste Quantensprung in der Molekularbiologie

Autor dieses Beitrags ist Dr. Oliver Ladendorf, Patentanwalt, Partner bei Kraus & Weisert, München

CRISPR/Cas, eine biochemische Methode, um DNA gezielt zu schneiden und zu verändern, hat das Zeug dazu, zum neuen Lieblingswerkzeug der Molekularbiologie zu werden. Sie kann unter anderem im Bereich der Biotechnologie und der Gentherapie eingesetzt werden– mit allen Konsequenzen, die vom zu erwartenden Nobelpreis für die beteiligten Forscher bis zu erbitterten Auseinandersetzungen um die Patentrechte an der Technologie reichen können.

Bei CRISPR/Cas handelt es sich um ein System, das es erlaubt, schnell, präzise und so zuverlässig wie noch nie das Erbgut eines Lebewesens zu verändern. Es kann als eine Art molekulare Schere beschrieben werden, die es ermöglicht, DNA zu schneiden und so Gene oder auch nur einzelne Nukleotide (also die Einzelelemente, aus denen die DNA aufgebaut ist) zu verändern. Diese genetischen Änderungen können verwendet werden, um beispielsweise fehlerhafte Gene zu „reparieren“ oder neue Merkmale ins Genom einzuführen, was vor allem im Bereich der Molekularmedizin (Gentherapie) und der Biotechnologie (genetische Optimierung von Pflanzen oder Mikroorganismen) genutzt wird. Die Liste der Unternehmen, die diese Technologie nutzen, wird  täglich länger und schließt sowohl Global Players wie Bayer, BASF, DuPont, , Syngenta oder Novartis, als auch kleinere deutsche biopharmazeutische Unternehmen wie CureVac ein.

Die ursprüngliche Entdeckung stammt aus der Mikrobiologie, wo bemerkt wurde, dass Bakterien einen antiviralen Abwehrmechanismus besitzen, der es ihnen gestattet, DNA an bestimmten Sequenzen zu schneiden. Im Rahmen dieser Forschung konnte gezeigt werden, dass Bakterien sich wiederholende DNA-Abschnitte besitzen, die CRISPR genannt – die Abkürzung steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Hier kommt nun die zweite Komponente des Systems ins Spiel, die Endonuklease Cas (was für CRISPR-assoziiertes Protein steht). Cas ist ein Enzym, das eine bestimmte RNA-Sequenz binden und in deren unmittelbarer Umgebung DNA schneiden kann – dieser Schnitt erfolgt typischerweise in den CRISPR-Sequenzen. Dabei kommt es zu einer direkten Interaktion der beteiligten Komponenten an der Stelle, wo der Schnitt erfolgt. Der Clou ist dabei, dass die Komponente, die für die Bindung und Auswahl der zu schneidenden DNA-Sequenzziele verantwortlich ist, künstlich verändert werden kann. Dadurch ist es möglich, Cas an fast alle Stellen des Genoms zu dirigieren und dort gewünschte Veränderungen an der DNA ausführen zu lassen.

Enormes Marktvolumen

Die Möglichkeiten, die das CRISPR/Cas-System eröffnet, haben zu einer wahren Goldgräberstimmung im Biotech- und Pharmasektor geführt. Das System lässt sich in einer Vielzahl unterschiedlicher Ansätze verwenden. So ist es nun möglich, im Bereich der Humanmedizin Erkrankungen, die auf Einzelgendefekten beruhen, durch Änderung der defekten DNA-Sequenz zu „reparieren“. Ein Beispiel ist hier die Beta-Thalassämie, die durch genomische Editierung von Stammzellen geheilt werden kann. Es kann ebenfalls genutzt  werden, um nach Zielsequenzen für therapeutische Ansätze in der Onkologie zu suchen. Aber auch im Bereich der Nahrungsmittelproduktion und der Landwirtschaft ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten. So können mit CRSIPR/Cas Resistenzmarker-freie, genetisch optimierte Pflanzen oder Tiere erzeugt werden. In der Joghurt- und Käseherstellung können verbesserte Bakterien bereitgestellt werden, die eine effizientere Produktion erlauben. Daneben gibt es eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten im Bereich des Forschungs- und Laborbedarfs. Das System kann darüber hinaus zur Schädlingskontrolle oder zur Steigerung bei der Biotreibstoffproduktion eingesetzt werden. Viele dieser Anwendungsmöglichkeiten befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, sodass mit marktreifen Produkten erst in einigen Jahren zu rechnen ist. Aufgrund der Einfachheit und der Genauigkeit des Systems hat es sich jedoch bereits heute in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung durchgesetzt. Vorsichtige Schätzungen gehen von einem Marktvolumen von bis zu 50 Milliarden US-Dollar aus.

Kampf um Rechte an Technologie

Bei derart vielversprechenden Aussichten ist es nicht verwunderlich, dass inzwischen erbittert um die Rechte an der Technologie gestritten wird. Die Entdeckungsgeschichte von CRISPR/Cas beginnt bereits in den 1980er Jahren, als die CRISPR-Sequenz zuerst in E. coli entdeckt wurde. 2011 konnte eine Arbeitsgruppe um die Forscherinnen Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna von der University of California in Berkeley zeigen, dass mit dem CRISPR/Cas-System DNA in vitro geschnitten werden kann. Etwa zeitgleich haben auch weitere Wissenschaftler, wie etwa der Litauer Virginijus Šikšnys und eine Gruppe um den Neurowissenschaftler Feng Zhang vom MIT und dem Bostoner Broad Institute, zu diesem Thema publiziert. Neben den Publikationen wurden auch Patentanmeldungen eingereicht. Um diese ist nun ein heftiger Streit entbrannt, der unter anderem  vor dem US-Patentamt und dem Europäischen Patentamt ausgetragen wird. Dabei hat die von Charpentier und Doudna eingereichte Anmeldung einen allgemeineren, nicht auf bestimmte Organismengruppen eingeschränkten Anwendungsbereich (allerdings sind die Beispiele im Bereich der Bakterien und der in vitro-Manipulation angesiedelt), während die von Zhang eingereichten Anmeldungen auf eukaryontische Zellen (also höhere Organismen) fokussiert sind. In einem Interference-Verfahren vor dem US-Patentamt ist im Februar 2017 entschieden worden, dass beide Ansätze patentrechtlich koexistieren können. Interessanterweise ist die (einzige) Anmeldung von Charpentier und Doudna vom US-Patentamt noch nicht erteilt worden, während das Broad-Institut/MIT bereits über 10 erteilte Patente in diesem Bereich vorweisen kann. Inzwischen ist dieser Rechtsstreit in die Beschwerde gegangen, mit ungewissem AusgangIn Europa wurden Patente sowohl für den University of California-Ansatz, also auch für das Broad-Institut erteilt. Das Broad-Institut musste allerdings kürzlich eine Schlappe einstecken, da das Europäische Patentamt in einem Einspruchsverfahren Ende Januar 2018 ein Patent aufgrund von Unstimmigkeiten im Anmeldungsverfahren widerrufen hat. Für das von Charpentier und Doudna eingereichte Patent ist im Februar 2018 die Einspruchsfrist beim Europäischen Patentamt abgelaufen. Hier haben nicht weniger als 7 verschiedene Firmen,  Einspruch eingelegt. Eine Entscheidung ist hier nicht vor Ende des Jahres zu erwarten. Die Gruppe um Virginijus Šikšnys von der Universität Vilnius hat mittlerweile ebenfalls Patenschutz in den USA für ein Verfahren zur ortsspezifischen DNA-Editierung unter Verwendung des Cas9 Proteins erhalten. Man darf gespannt sein, ob und von wem diese Patentfamilie angegriffen wird. Die Auseinandersetzungen betreffen zum einen alle Unternehmen, welche direkt oder indirekt eine Lizenz an der  Technologie erworben haben (oder dies beabsichtigen), um bestimmte Projekte im Biotech- oder Molekularmedizinbereich voranzutreiben, aber auch neu gegründete Unternehmen, wie CRISPR Therapeutics oder Editas (beide aus dem Bereich der Gen-basierten Medizin), welche vollständig auf der neuen Technologie aufbauen.

Aufgrund der momentan sehr unübersichtlichen Patentsituation ist es für viele Firmen, die sich für die Anwendung dieser Technologie interessieren, schwierig, eine vernünftige Entscheidung hinsichtlich einzuholender Lizenzen zu treffen. Dabei dürfte sich die Lage in den nächsten Jahren noch verkomplizieren, bevor sich eine Besserung einstellt. Denkbar wäre hier die Etablierung eines Patentpools, der es Lizenznehmern ermöglichen würde, auf einfache Weise Freedom-to-operate zu erlangen. Das Broad-Institut hat hier bereits einen ersten Schritt getan. Es bleibt abzuwarten, ob andere nachziehen.