I batteri continuamente affrontano infezioni da parte di virus batteriofagi, virus che infettano i batteri. Per affrontare questa minaccia, i batteri hanno sviluppato un sofisticato sistema di immunità adattativa noto come il sistema CRISPR-Cas per distruggere il DNA batteriofago in caso di reinfezione. Il sistema prevede tre diversi processi:l'incorporazione del segmento del DNA batteriofago nel genoma batterico, la produzione del CRISPR RNA e la proteina Cas e la scissione mediata da CRISPR RNA-CAS del DNA batteriofago.

Quando un batteriofago é in azione, esso si attacca alla superficie della cellula batterica e inserisce il suo DNA nei batteri che vengono poi scissi dal sistema batterico. Un breve segmento del DNA del batteriofago viene quindi aggiunto in regioni specifiche del genoma batterico chiamate CRISPR-o ripetizioni palindromiche brevi e interspaziate regolarmente in cluster. Queste sono regioni genomiche in cui le ripetizioni di sequenza batterica sono intervallate dalle brevi sequenze spaziatrici variabili da diversi batteriofagi.

Queste sequenze spaziatrici servono come memoria per i batteri di tutti i batteriofagi che hanno precedentemente attaccato. I batteri usano sequenze spaziatrici per identificare e distruggere rapidamente il DNA da un particolare tipo di batteriofago se li attacca di nuovo. Le trascrizioni della regione CRISPR vengono processate per produrre molecole di RNA CRISPR intorno a 30 nucleotidi lunghi che contengono lo spaziatore e la sequenza di ripetizione batterica vicina.

Il CRISPR associato, o sistemi Cas, codificano la proteina Cas. Questa proteina Cas poi si associa con la molecola CRISPR RNA per formare un complesso ribonucleoproteico. Quandolo stesso tipo di batteriofago attacca di nuovo, il suo DNA è riconosciuto dalla sua specifica sequenza spaziatrice presente nell'RNA CRISPR.

La proteina CAS associata allora, o da sola o con l'aiuto di proteine multiple, taglia entrambi i filamenti del DNA del batteriofago. I principi del sistema Cas CRISPR e dei suoi componenti possono essere utilizzati per abbattere o modificare qualsiasi gene in un organismo che utilizza il suo RNA guida complementare. Diversi tipi di sistema Cas CRISPR sono presenti in batteri e arcaea.

Tra questi, il sistema CRISPR Cas9 è uno dei più studiati e ampiamente utilizzato per diverse applicazioni pratiche in quanto può essere facilmente ed efficacemente riprogrammato per avere diversi geni come target.