Если вы хоть немного следите за новостями из мира науки, то должны знать, что такое CRISPR/Cas9. Если же вы далеки от мира белых халатов, то вот вам короткий ликбез: CRISPR/Cas9 это технология, с помощью которой можно будет вылечить абсолютно любую болезнь. И еще раз. Абсолютно. Любую. Болезнь. Впечатляет? Еще бы. И дабы в просвещенном обществе сойти за умного человека, настоятельно не рекомендуется пролистывать этот текст. Ведь он познакомит вас с основными особенностями величайшего открытия десятилетия, по словам многих научных изданий.
Как это изобрели?
Дело было так.
В 1987 году группа японских ученых в перерыве от чтения манги и поедания рамена, заприметили, что у бактерий Escherichia coli (это кишечная палочка, если что) есть повторяющиеся фрагменты ДНК, которые разделены неповторяющимися отрезками. Что это такое и как в итоге их называли – мы поговорим ниже. Японцы на это забили, а вот в 93 году испанец Франциско Мохика нашел те же самые последовательности уже в Haloferax mediterranei. Сравнив их с повторами у кишечной палочки, наш амиго понял, что раз они встречаются у таких совершенно разных микроорганизмов, значит что-то да значат. В итоге он их называл «короткими повторами, регулярно разделёнными промежутками» (short regularly spaced repeats, SRSRs), но потом поменял на «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами» (англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR). Мохика продолжил исследования и нашел ту же самую дичь еще у 20 микроорганизмов. Молния дважды в одно место не попадает, а уже тем более 20 раз. Значит, это была закономерность.
Франциско Мохика. Улыбается, потому что изобрел важнейшую технологию в медицине
Пока в солнечной Испании нон-стопом продолжалась фиеста, Мохика осознал, что эти последовательности образуются главным образом из-за вирусов, которые кошмарят бедных бактерий, значит подобные генетические «уродства» можно предотвратить. И все заверте…
Описывать тернистый путь разработки CRISPR/Cas9 очень скучно – полистайте википедию, если интересно. Куча всевозможных опытов, исследований, экспериментов – все вылилось в то, что в 2008 году две сильные и независимые женщины-ученые Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпентье предложили использовать эту технологию для редактирования генома человека и, как следствие, для медицинских целей. И все заверте… снова.
Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпентье. Не феминистки, но уделали всех мужчин-ученых разом
Как это работает?
Сначала давайте обозначим основную терминологию.
ДНК состоит из Аденина, Гуанина, Тимина и Цитозина. Это – нуклеотиды. Сокращенно – A, G, T и, соответственно, C. Комбинируя эти буквы, как только угодно, создается совершенно уникальный набор у каждого живого существа на нашей планете. Сравните: компьютерный двоичный код состоит из 0 и 1. Наш код – из четырех вышеперечисленных букв.
Иногда эти буквы складываются в такую последовательность, когда набор получается одинаковым, читай его хоть с начала, хоть с конца. К примеру, AGCCTAATCCGA. Они называются палиндромами.
Между палиндромами бывают неповторяющиеся фрагменты - спейсеры. AGCCTAATCCGA.ATCGGT.TAGCCGAT – «AGCCTAATCCGA» и «TAGCCGAT» - палиндромы, так как читаются одинаково, что слева направо, что справа налево, а «ATCGGT», выходит, спейсер.
Теперь углубляемся дальше.
Для понимания, как CRISPR вылечит абсолютно все недуги, нужно понять, как, собственно, происходит вирусное заражение организма. Вирусы, считайте, это биороботы. Они ведут себя как роботы, они выглядят как роботы и цели у них как у роботов – уничтожить людей и размножиться. Обычный вирус, попадая в организм, первым делом прикрепляется к клетке и «впрыскивает» в нее свою РНК. Вирусная РНК – мразь та еще: она находит ДНК жертвы и «переписывает» ее под себя. Измененная ДНК потом считывается клеточными механизмами и клетка начинает синтезировать не что-то важное для организма, а что-то выгодное для вируса, но, зачастую, вредное для живого существа. Вирусы – это шпионы, которые проникают на «производство» и переписывают главные «чертежи» так, чтобы завод начал строить что-то другое. Представьте, что сотрудник Дэо проник на предприятие Мерседеса и изменил главную программу таким образом, чтобы на выходе получались не «мерсы», а «ланосы». Вот так действуют и вирусы.
Это вирус атакует клетку. Хотя выглядит как изнасилование биороботом
Тут-то и происходит самое интересное. Что палиндромы, что спейсеры – явления прикольные, но с точки зрения науки – скорее несут отрицательный характер, чем положительный и являются, по сути, аномалиями. И да, так уж повелось, что они чаще всего появляются в организме после вирусной атаки.
Фишка в том, что, атакуя организм, вирусы зачастую оставляют в ДНК жертвы короткие последовательности своей РНК - спейсеры. Это, считайте, своеобразные послания – каждый хакер, каким бы скрытым он не был, хочет славы. Если их засечь, то можно узнать, каким именно заболеванием болен человек. Так, собственно, врачи и поступают.
Основная идея технологии CRISPR – бросить в клетку искусственно синтезированный белок Cas9, который своим зорким глазом найдет спейсер и своей молекулярной биохимической катаной разрежет его. Как итог – палиндромы оказываются разорванными, а измененная ДНК (в составе которой были как раз эти сволочи) перестанет провоцировать синтез какой-то вредной жести.
Победа!
Это белок Cas9. Правда милаха?
Теперь, когда тот же самый вирус попадет в организм, он не увидит знакомые фрагменты-спейсеры, не поймет, что к чему и попросту свалит.
Гениально!
Окей, но что в этом революционного, скажите вы? Да, технология прикольная, но на словах принцип работы CRISPR выглядит абсолютным рандомом: Cas9 не гениальный компьютер, он может что-то отрезать, а что-то пропустить. И тогда все пойдет насмарку. Собственно, тогда светлые головы биотехнологов посетила еще более светлая мысль: «А давайте мы Cas9 запрограммируем! Можем же? Можем. И тогда он будет работать как GPS и сможет резать то, что мы ему скажем!»
Гениально! [2]
Для этого ученые берут часть последовательности РНК того вируса, который они хотят замочить, и вставляют в Cas9, как магазин с патронами в пистолет. Последовательность служит ему указателем, белок считывает ее, понимает, что ему надо уничтожать, начинает искать среди больной ДНК и, собственно, резать. Много. Жестоко. Во имя науки.
3-дэ Cas9. Большая бесформенная жижа
Когда ученые изобрели эту технологию, они даже не могли представить, на что способен CRISPR. «МАТЕРЬ БОЖЬЯ!», - наверняка воскликнул кто-то из исследовательской группы, когда до него дошло, что с помощью CRISPR можно изменять не только вирусные спейсеры, а и геном в общем. А если можно изменять геном в общем, то, соответственно, можно навсегда избавиться от наследственных заболеваний.
К примеру, от гемофилии. Опасность этого недуга заключается в том, что он обусловлен всего одной маленькой ошибкой в ДНК-последовательности, всего 1 буква встала «неправильно» и все – человек имеет несвертываемость крови и может умереть от любой царапины. Всего одна «неправильная» буква в океане из 6 миллиардов других (а именно столько их в нашем геноме) – заметить практически невозможно. Но не для Cas9. Этот сукин сын настолько зоркий и имеет настолько тонкую биохимическую ферментную катану, что может найти даже такой фрагмент и хирургически точно его разрезать – дайте только пример. А примеры неправильной буквы при гемофилии, вы уж поверьте, у ученых есть.
Заряжаем.
Запускаем.
Ждем, пока Cas9 разрежет участок.
Профит.
После «операции», клетка, конечно, прифигеет от такой наглости и сразу пошлет свои специальные белки, чтобы те «починили» разрыв. Вырезанная Cas9 «неправильная» буква затеряется в недрах клетки и успешно потом разложится на углерод, кислород да водород, а белки-«чинители» вставят уже «нужную» букву, исходя из закона комплементарности второй спирали ДНК.
Горизонты, которые открылись перед учеными, кажется, не имеют границ.
Если очень коротко. Короче, чем эта статья
Как это можно будет использовать?
При должном желании, с помощью CRISPR/Cas9 можно будет излечить любую болезнь. ВИЧ. Рак. Да хоть синдром Марфана. В мире, где не надо к каждому недугу искать свое противоядие, а достаточно просто «подредактировать» геном, излечивается все, что угодно.
Но можно пойти еще дальше. Можно вводить сыворотку с CRISPR/Cas9 в половые клетки и, таким образом, раз и навсегда избавляться от наследственных заболеваний. Уникальность данной технологии заключается в ее универсальности – благодаря не самому сложному механизму, CRISPR и его белок Cas9 могут разрезать что угодно, как угодно и где угодно.
Наглядно
Но все-таки некоторые недостатки у технологии есть. Во-первых, спейсеры. Некоторые из них не являются «посланием» от вирусов и могут образовываться в нашем организме сами по себе. Cas9 тогда будет сложно вычислить нужный спейсер и он может застопориться, не понимая, что от него хотят. Такое случается довольно редко, но все-таки бывает. Во-вторых, программирование. То, что уже сейчас можно указать белку цель для резки – безусловно, великое достижение. Но абсолютным высшим пилотажем будет, если ученые смогут задавать Cas9 еще и время резки, варьировать точность и возможность разрезания участков разной длины. Пока что это является недоступным для ученых, но, верится, что человечеству и это станет подвластно. Все-таки уже один факт изобретения технологии CRISPR/Cas9 невероятно воодушевляет и поражает.