Las bacterias y las arqueas son susceptibles a las infecciones virales al igual que los eucariotas; por lo tanto, han desarrollado un sistema inmunológico adaptativo único para protegerse. Las repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas y las proteínas asociadas a CRISPR (CRISPR-Cas) están presentes en más del 45% de las bacterias conocidas y el 90% de las arqueas conocidas.

El sistema CRISPR-Cas almacena una copia de ADN extraño en el genoma del huésped y lo utiliza para identificar el ADN extraño en caso de reinfección. CRISPR-Cas tiene tres etapas diferentes para atacar a un virus reinfectante. En la etapa de adquisición, la región protoespaciadora del ADN viral es escindida por los sistemas CRISPR. La región protoespaciadora específica se identifica para la escisión con la ayuda de un motivo adyacente al protoespaciador (PAM) presente en el ADN viral objetivo. A continuación, la secuencia del protoespaciador escindido se incorpora al locus CRISPR bacteriano. En la etapa de expresión, los genes CRISPR y CAS se transcriben para producir ARN pre-CRISPR (crRNA) y el ARNm de Cas. A continuación, el pre-crRNA se procesa para producir crRNA maduro. En la etapa de interferencia, el crRNA y la proteína Cas traducida forman un complejo de ribonucleoproteínas que se dirige y escinde el ADN viral de una manera específica de la secuencia.

Los sistemas CRISPR-Cas se pueden dividir en tres tipos distintos caracterizados por sus tipos de proteína Cas. En los sistemas de tipo I, Cas3 tiene actividad helicasa y nucleasa. Múltiples proteínas Cas adicionales crean una ruptura de doble cadena en el ADN viral. En los sistemas de tipo II, la nucleasa Cas9 actúa sola para escindir el ADN. Además del ARNcr, los sistemas de tipo II también tienen ARN CRISPR transactivador (ARNtracr) que es necesario para la maduración del ARNcr. En los sistemas de tipo III, Cas10 tiene una función desconocida, pero al igual que el sistema de tipo I, necesita múltiples proteínas para la escisión del ADN. El sistema de tipo III también puede dirigirse al ARN para la escisión. El tipo I y el tipo III se encuentran tanto en bacterias como en arqueas, mientras que hasta la fecha el tipo II solo se ha encontrado en bacterias. En comparación con las técnicas convencionales de edición del genoma, como las enzimas de restricción, el sistema CRISPR-Cas es más fácil de usar y puede dirigirse a varios genes en el mismo experimento. Por lo tanto, se ha convertido en una poderosa herramienta de ingeniería genética y se está utilizando ampliamente para modificar el genoma de organismos procariotas y eucariotas.