Бактерии и археи, как и эукариоты, восприимчивы к вирусным инфекциям, поэтому они разработали уникальную адаптивную иммунную систему для самозащиты. Короткие палиндромные повторы, расположенные группами, регулярно перемежающиеся спейсерами, (CRISPR) и CRISPR-связанные белки (CRISPR-Cas) присутствуют у более чем 45% известных бактерий и 90% известных архей.

Система CRISPR-Cas хранит копию чужеродной ДНК в геноме хозяина и использует ее для идентификации чужеродной ДНК при повторном заражении. CRISPR-Cas состоит из трех этапов для атаки на повторно заражающий вирус. На стадии приобретения протоспейсерная область вирусной ДНК расщепляется системами CRISPR. Специфическая область протоспейсера идентифицируется для расщепления с помощью смежного мотива протоспейсера (PAM), присутствующего в целевой вирусной ДНК. Затем отщепленную последовательность протоспейсера включают в бактериальный локус CRISPR. На стадии экспрессии гены CRISPR и CAS транскрибируются с образованием пре-CRISPR РНК (crРНК) и Cas-мРНК. Затем пре-crРНК процессируется для получения зрелой crРНК. На стадии интерференции crРНК и транслированный белок Cas образуют рибонуклеопротеидный комплекс, который нацелен на вирусную ДНК и расщепляет ее специфично относительно последовательности.

Системы CRISPR-Cas можно разделить на три различных типа, которые характеризуются типами белков Cas. В системах типа I Cas3 обладает геликазной, а также нуклеазной активностью. Множество дополнительных белков Cas создают двунитевой разрыв в вирусной ДНК. В системах типа II нуклеаза Cas9 действует самостоятельно, расщепляя ДНК. Помимо crРНК, системы типа II также содержат трансактивирующую CRISPR РНК (tracrРНК), которая необходима для созревания crРНК.В системах типа III Cas10 выполняет неизвестную функцию, но, как и в системе типа I, для расщепления ДНК требуется несколько белков. Система типа III также может нацеливаться на РНК для расщепления. Типы I и III обнаружены как у бактерий, так и у архей, в то время как на сегодняшний день тип II обнаружен только у бактерий. По сравнению с обычными методами редактирования генома, такими как рестрикционные ферменты, система CRISPR-Cas проще в использовании, она может воздействовать на несколько генов в одном эксперименте; поэтому она превратилась в мощный инструмент генной инженерии и широко используется для модификации генома как прокариотических, так и эукариотических организмов.