Bactérias e arquéias são susceptíveis a infeções virais assim como eucariotas; portanto, elas desenvolveram um sistema imunitário adaptativo exclusivo para se protegerem. Repetições palindrómicas curtas e regulares interespaçadas e proteínas associadas a CRISPR (CRISPR-Cas) estão presentes em mais de 45% das bactérias conhecidas e 90% das arquéias conhecidas.
O sistema CRISPR-Cas armazena uma cópia de DNA externo no genoma do hospedeiro e utiliza-o para identificar o DNA externo após a reinfeção. CRISPR-Cas tem três fases diferentes para atacar um vírus na reinfeção. Na fase de aquisição, a região protoespaçadora do DNA viral é clivada pelos sistemas CRISPR. A região protoespaçadora específica é identificada para clivagem com a ajuda de um motivo protoespaçador adjacente (PAM) presente no DNA viral alvo. A sequência protoespaçadora clivada é então incorporada no lócus CRISPR bacteriano. Na fase de expressão, os genes CRISPR e CAS são transcritos para produzir pré-CRISPR RNA (crRNA) e Cas mRNA. O pré-crRNA é então processado para produzir crRNA maduro. Na fase de interferência, o crRNA e a proteína Cas traduzida formam um complexo ribonucleoproteico que visa e cliva o DNA viral de forma específica da sequência.
Os sistemas CRISPR-Cas podem ser divididos em três tipos distintos caracterizados pelos seus tipos de proteína Cas. Em sistemas do Tipo I, a Cas3 tem atividade helicase assim como de nuclease. Múltiplas proteínas Cas adicionais criam uma quebra de cadeia dupla no DNA viral. Em sistemas do Tipo II, a nuclease Cas9 age sozinha para clivar o DNA. Além do crRNA, os sistemas Tipo II também têm RNA de CRISPR de ativação em trans (tracrRNA), que é necessário para a maturação do crRNA. Em sistemas do Tipo III, a Cas10 tem uma função desconhecida, mas, tal como o sistema do tipo I, precisa de múltiplas proteínas para a clivagem do DNA. O sistema do tipo III também pode visar RNA para clivagem. Os Tipos I e III são encontrados tanto em bactérias como em arquéias, enquanto que até à data, o Tipo II só foi encontrado em bactérias. Comparado com técnicas convencionais de edição do genoma, como enzimas de restrição, o sistema CRISPR-Cas é mais simples de utilizar e pode visar vários genes na mesma experiência; portanto, surgiu como uma poderosa ferramenta de engenharia genética e está a ser amplamente utilizado para modificar o genoma de organismos procarióticos e eucarióticos.
