Bakterie i archeony są podatne na infekcje wirusowe tak samo jak eukarionty, dlatego rozwinęły unikalny adaptacyjny układ odpornościowy, aby się chronić. Zgrupowane, regularnie rozmieszczone, krótkie powtórzenia palindromiczne i białka związane z CRISPR (CRISPR-CAS) są obecne w ponad 45% znanych bakterii i 90% znanych archeonów.

System CRISPR-Cas przechowuje kopię obcego DNA w genomie gospodarza i wykorzystuje ją do identyfikacji obcego DNA po ponownym zakażeniu. CRISPR-Cas ma trzy różne etapy ataku na ponownie infekującego wirusa. Na etapie akwizycji region protospacerowy wirusowego DNA jest rozszczepiany przez systemy CRISPR. Specyficzny region protospacerowy jest identyfikowany do rozszczepienia za pomocą motywu sąsiadującego z protospacerem (PAM) obecnego w docelowym DNA wirusa. Rozszczepiona sekwencja protospacer jest następnie włączana do bakteryjnego locus CRISPR. Na etapie ekspresji geny CRISPR i CAS są transkrybowane w celu wytworzenia RNA pre-CRISPR (crRNA) i mRNA Cas. Pre-crRNA jest następnie przetwarzane w celu wytworzenia dojrzałego crRNA. W fazie interferencji crRNA i translowane białko Cas tworzą kompleks rybonukleoproteinowy, który atakuje i rozszczepia DNA wirusa w sposób specyficzny dla sekwencji.

Systemy CRISPR-Cas można podzielić na trzy odrębne typy charakteryzujące się typami białek Cas. W układach typu I Cas3 ma zarówno helikazę, jak i aktywność nukleazy. Wiele dodatkowych białek Cas tworzy dwuniciowe pęknięcie w wirusowym DNA. W układach typu II nukleaza Cas9 działa samodzielnie, aby rozszczepić DNA. Oprócz crRNA, systemy typu II mają również transaktywujące CRISPR RNA (tracrRNA), które jest wymagane do dojrzewania crRNA. W układach typu III Cas10 ma nieznaną funkcję, ale podobnie jak system typu I, potrzebuje wielu białek do rozszczepienia DNA. System typu III może również celować w RNA do rozszczepienia. Typ I i typ III występują zarówno u bakterii, jak i archeonów, podczas gdy do tej pory typ II występował tylko u bakterii. W porównaniu z konwencjonalnymi technikami edycji genomu, takimi jak enzymy restrykcyjne, system CRISPR-Cas jest prostszy w użyciu, może być ukierunkowany na wiele genów w tym samym eksperymencie. Dlatego stał się potężnym narzędziem inżynierii genetycznej i jest szeroko stosowany do modyfikowania genomu zarówno organizmów prokariotycznych, jak i eukariotycznych.