Исследователь выполняет процесс CRISPR / Cas9 в Центре молекулярной медицины Макса-Дельбрюка.
Мутанты - это круто, правда? Люди Икс, черепашки-ниндзя и супергерои из комиксов и фильмов поражают нас особыми способностями, которые были унаследованы от их генетических мутаций. Однако эти вымышленные генетические мутации довольно трудно найти - вы должны были быть укушены каким-то особенным пауком или подвергнуться воздействию какого-либо радиоактивного вещества.
Но что, если бы генетические модификации были не только легкими, но и быстрыми и дешевыми? Хотели бы вы стать мутантом? Что ж, с технологией под названием CRISPR вы, возможно, сможете это сделать. Не поймите нас неправильно - CRISPR не превратит вас в супергероя, но это научное открытие может сильно повлиять на нас.
Сокращенно сгруппированных регулярно interspaced коротких палиндромных повторов, CRISPR позволяет нам двигаться генами из любых живых существ в другой, изменяя ДНК для будущих поколений. Это позволяет нам вырезать гены, которые совершают ужасные вещи - например, те, которые вызывают болезни, - и заменять их безобидными сегментами ДНК.
В то же время технология CRISPR настолько мощна, что люди могут начать использовать ее не только для лечения людей от болезней. Возможно, для создания более устойчивых к болезням сельскохозяйственных культур и домашнего скота. Или создать дрожжевые мутанты, которые производят топливо, которое мы можем использовать для питания наших автомобилей. Мы можем начать проявлять по-настоящему творческий подход и создавать детей-дизайнеров или даже использовать эту технологию для зла - создавать биологическое оружие, которое является видоспецифичным и стирает целые виды с лица планеты.
По мере того, как мы узнаем больше о том, что MIT Technology Review назвало «крупнейшим биотехнологическим открытием века», нам также необходимо подумать о том, когда нам следует использовать CRISPR и как его следует регулировать.
СОДЕРЖАНИЕ
- Бактериальные убийцы
- Младенцы-конструкторы, инвазивные мутанты и биология своими руками
Бактериальные убийцы
Хотя технология CRISPR довольно хороша, в том, что люди генетически изменяют различные организмы, нет ничего нового. На низкотехнологичной стороне мы давно занимаемся селективным выращиванием сельскохозяйственных культур. Когда фермеры наткнулись на сочный апельсин или ярко окрашенный помидор, они сохранили эти желанные гены, посадив семена этого растения.Но в последние годы мы подняли биотехнологию на ступеньку выше. В начале 2000-х годов ученые придумали, как использовать ферменты, называемые нуклеазами цинковых пальцев, для удаления и замены определенных нежелательных генов в различных организмах. Однако ферменты «цинковые пальцы» были дорогими (более 5000 долларов за штуку), их было трудно производить, и вероятность успеха не была оптимальной.
Таким образом, хотя технология редактирования генов существовала, только после появления CRISPR идея преднамеренного изменения ДНК организма казалась доступной. Первое упоминание о CRISPR было в журнальной статье 1987 года, в которой ученые сообщили об обнаружении коротких повторов ДНК, которые лежат в основе технологии у бактерий E. coli . Но только в 2012 году CRISPR стал актуальным. С тех пор использование CRISPR в научном сообществе резко возросло. Более миллиарда долларов было привлечено в качестве стартового капитала для биотехнологических компаний, использующих эту технику. Государственное финансирование исследований CRISPR также зашкаливает.
Только в 2014 году Национальные институты здравоохранения выделили около 90 миллионов долларов на исследования CRISPR. А с 2010 года было зарегистрировано более 200 патентов, связанных с CRISPR. Кажется, что быстрые темпы исследований не замедляются. По мере того, как ученые узнают больше о CRISPR, кажется, они меньше узнают о том, насколько ограничен этот метод, а вместо этого о том, насколько он эффективен.
Так что же особенного в этой технике, что делает ее такой мощной?
Младенцы-конструкторы, инвазивные мутанты и биология своими руками
Белок нуклеазы CRISPR-CAS9 использует последовательность направляющей РНК для разрезания ДНК в комплементарном сайте. Белок Cas9: модель с белой сглаженной поверхностью; Фрагменты ДНК: фиолетовая и розовая лестница; РНК: светло-зеленая лестница.
В 1987 году ученые, изучающие кишечную палочку, обнаружили повторяющиеся сегменты в ДНК бактерий. Этот тип паттерна в бактериальной ДНК необычен, поэтому они оживились, когда заметили это, и сообщили о находке. Со временем ученые начали замечать эту закономерность у многих различных типов бактерий, но до сих пор не было гипотезы о том, что это такое и почему. Но в 2005 году поиск в базе данных ДНК показал, что «сгруппированные регулярно чередующиеся короткие палиндромные повторы» (или CRISPR) соответствуют вирусной ДНК.
Но почему бактерии укрывали вирусную ДНК? Ученый Юджин Кунин предположил, что, когда бактерии переживают вирусную атаку, они разрезают вирус на мелкие кусочки и сохраняют часть вирусной ДНК в своем собственном геноме, чтобы позже они могли распознать и атаковать вирус, если им случится снова встретиться с ним. По сути, они хранят изображение вируса в своем заднем кармане, чтобы распознать плохого парня, если он когда-нибудь появится снова - замечательный защитный механизм бактериальной иммунной системы.
Гипотеза Кунина оказалась верной. Если этот вирус ударит снова, бактерии произведут особых «убийц». Эти убийцы могут считывать последовательность РНК любой вирусной ДНК, с которой они сталкиваются, распознавать, совпадает ли она с информацией, которую они хранят в их ДНК, улавливать ее и измельчать. Как будто бактерии создали очень специфические умные ножницы.
Это открытие было довольно крутым, но не таким крутым, как то, что думала сделать с этой информацией ученая из Калифорнийского университета в Беркли Дженнифер Дудна (которая с тех пор получила Нобелевскую премию по химии 2020 года вместе с Эммануэль Шарпантье за их работу над CRISPR). Она предложила ученым использовать CRISPR как инструмент, помогающий им редактировать гены. Если бы они снабдили бактерии сегментом ДНК, который, как известно, был плохим - скажем, геном, вызывающим слепоту, - они могли бы отправить бактерии на поиски плохого гена, где бактерии найдут его и уничтожат. И тогда мы могли бы воспользоваться естественным механизмом восстановления в бактериальных клетках, чтобы заменить его более желательным геном.
Это сработало! И это продолжало работать! Обращение вспять мутаций, связанных со слепотой, было лишь одним из способов, которым CRISPR доказал свою эффективность. Это остановило размножение раковых клеток, сделало клетки невосприимчивыми к ВИЧ, помогло нам создать устойчивые к болезням пшеницу и рис и множество других достижений. В 2015 году китайские ученые даже попытались использовать эту технологию на нежизнеспособных человеческих эмбрионах, но только в нескольких случаях CRISPR сделал правильные разрезы ДНК.
Но возникает вопрос: хотим ли мы вообще использовать его на эмбрионах? Следует ли нам это позволить? Кто будет регулировать использование CRISPR?
Может ли кто-нибудь использовать технологию CRISPR, чтобы воскресить шерстистого мамонта, введя сегмент его ДНК в ДНК слона? Этого еще не произошло, но это только одна проблема, которую беспокоят некоторых ученых.
Технология CRISPR настолько нова, что научное сообщество еще не полностью осознало всю ее мощь. Но одно можно сказать наверняка - они знают, что его способность воздействовать на человечество не может сравниться ни с одной другой биотехнологией. При таком огромном потенциале необходимость разработки нормативных положений, регулирующих его использование, является настоятельной необходимостью. Но головокружительная скорость, с которой проводятся исследования в лаборатории, оставляет мало времени для обсуждения правил, которыми должны быть исследования и использование. Замечательно, что CRISPR может отсекать плохие, нежелательные гены и заменять их более желательными. Но кто должен сказать, что плохо, а что хорошо?
Без каких-либо правил CRISPR можно было бы разработать до такой степени, чтобы его можно было безопасно использовать на человеческом эмбрионе для изменения его ДНК. Сказал бы кто-нибудь из родителей CRISPR «нет», если бы узнал, что у их ребенка есть ген, отвечающий за болезнь Хантингтона, и что CRISPR может удалить его еще до рождения ребенка? И если мы позволим родителям принимать решения о внесении изменений в ДНК своего ребенка до его рождения, где это остановится? Могут ли они решить сделать своего ребенка высоким, а не низким? Блондинка вместо брюнетки? Изменения, которые родители могли бы передать своему ребенку, будут постоянными и будут передаваться из поколения в поколение. Если этот сценарий реализуется, легко увидеть, как он может усилить разрыв между имущими и неимущими. И мы не знаем, что может произойти в долгосрочной перспективе с ребенком, чьи гены заменены.
В декабре 2015 года группа ученых, специалистов по биоэтике и политических экспертов из разных стран встретилась, чтобы обсудить регулирование редактирования генов человека. Один американский эксперт упомянул, что Управлению по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов необходимо регулировать не только технологию, но и конкретные способы ее использования, чтобы предотвратить использование не по назначению. Она также упомянула, что редактирование генов растений может быть более рискованным, чем редактирование генов человека.
Учитывая огромную мощь этой технологии, вопросы о CRISPR необходимо решать отдельно от вопросов о генетически модифицированных организмах. Однако собрать всех во всем мире на одной странице по-прежнему будет непросто.
Примечание автора
Писать подобные статьи меня пугает. Эта технология такая захватывающая. Последствия в целом кажутся очень крутыми, но также кажется, что мы начали понимать так много о том, как управлять жизнью с помощью технологий, что в какой-то момент мы обязательно облажаемся. CRISPR дает нам столько возможностей - и способами, о которых мы даже не догадываемся. Знаешь, мир устроен хорошо? Возиться с ним просто страшно. Опять же, как мы могли игнорировать такую мощную технику, которая может помочь нам во многих отношениях?
