«А ещё интересно, каким образом доставляются нужные кусочки ДНК к месту встраивания? Как это всё работает уже в организме? Если я захочу вписать эпизод с лечением в произведение, то что это будет? Аэрозоль с вирусами? Инъекция наноботов? Как часто? И сколько времени повреждённые ДНК будут лататься?»
(Т. Яланский)
Ох, люблю я такие вопросы! Хотя вот прямо сразу и коротко на них не ответишь, но хотя бы начать-то можно ))
Потому что речь опять пойдёт об открытии и изобретениях, которые поменяли (и продолжают менять) лицо мира.
«Нашим детям смогут исправить все генетические сбои, они не пострадают от неправильных родов. Я знаю, что выращивание в маточном репликаторе лучше по всем параметрам»
(Л. М. Буджолд. Дипломатическая неприкосновенность)
Мы пока не дошли до таких умений, как те, что упоминаются в Саге о Форкосиганах, но неуклонно к ним приближаемся.
Итак, как редактируют геном и в чём тут проблемы?
Чтобы отредактировать геном какого бы то ни было организма, например - заменить «поломанный», мутантный ген на нормальный или вообще встроить в геном нечто новое, , нужно решить несколько задач.
1. Создать нужный участок ДНК, тот, который мы хотим встроить.
2. Доставить его в клетку.
3. Встроить в исходный геном организма.
И вот эта, третья задача до недавнего времени как раз и имела, вероятно, больше всего подводных камней.
Первую подсказку людям дали ретровирусы. У них наследственный материал – не в виде молекулы ДНК, а в виде молекулы РНК. Но ещё у них есть ферменты, которые по матрице РНК могут построить ДНК. А уже эту ДНК – встроить в геном заражённого хозяина.
Так действует, например, вирус иммунодефицита человека.
Конечно, ВИЧ – зло. И многие другие ретровирусы – тоже. Но подсказку люди поймали, спасибо.
Беда в том, что вирусы встраивают свои гены в геном хозяина как попало и куда попало.
И тогда есть риск, что новый ген окажется в середине какого-нибудь другого нужного гена и тем самым его повредит. К тому же, работа генов зависит от их окружения: как именно новый ген будет работать, удачно или нет?
Можно, конечно, «обстрелять» клеточную культуру вирусоподобными искусственно созданными частицами и выбрать из сотен клеток такую, в которой это встраивание случайным образом оказалось приемлемым. Это и дорого, и сложно, и занимает много времени.
А можно ли распознать нужное, единственно правильное место и встроить новый ген именно туда?
Оказалось, что да. Некоторые ферменты-нуклеазы (разрезатели нуклеиновых кислот) могут распознавать нужный участок ДНК. Но… один-единственный, тот, для которого они созданы. Понадобилось резать в другом месте – изволь создавать другой белок-фермент.
Это по-прежнему дорого и сложно, хотя всё-таки – шаг вперёд.
Настоящий прорыв в решении задачи произошёл сравнительно недавно. И начался он с исследования, которое первоначально казалось просто удовлетворением обычного научного любопытства. Аспирант Франсиско Мохика изучал архей (это доядерные организмы, немного напоминающие бактерий), живущих в соленой воде, и наткнулся на странные последовательности в их геноме. Эти последовательности выглядели как палиндромы: они одинаково выглядели при чтении как в одном, так и в другом направлении. Палиндромы состояли из нескольких десятков пар нуклеотидов и многократно повторялись друг за дружкой. Между ними находились другие, уникальные, неповторяющиеся фрагменты примерно такой же длины.
Вот эти-то палиндромные последовательности и были названы «сгруппированные регулярно расположенные палиндромные повторы» ( Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats) – CRISPR.
Через некоторое время эти последовательности обнаружили у большинства архей и множества бактерий. Кроме того, оказалось, что рядом с этими последовательностями обязательно есть несколько генов, кодирующих некие белки – и их назвали Cas (CRISPR-Associated Genes).
А ещё благодаря генбанку (это база данных, куда обязательно вносятся все расшифрованные геномы) выяснилось, что уникальные участки ДНК, находящиеся между палиндромными, соответствуют фрагментам вирусной ДНК. Точнее, ДНК не любых вирусов, а именно бактериофагов, поражающих бактерий и архей.
Так родилась идея, что обнаруженная система – это некий аналог иммунной системы бактерий и архей: если бактерия встречается с вирусом и выживает, она «ворует» у него распознаваемый, характерный кусочек ДНК и встраивает себе в геном, «в коллекцию». Этакая картотека «преступников». Помогают собирать коллекцию как раз белки Cas: режут чужую ДНК и встраивают кусочки в свою, причём в точно определённое, распознаваемое место.
А в случае повторной встречи в дело вступают другие белки Cas. Сначала по матрице уникального «портрета» бактериофага из «коллекции» синтезируется молекула РНК. Она может «распознавать» ДНК вирусной частицы, склеиваясь с ней по принципу комплементарности. К этой молекуле РНК прикрепляется белок CAS. Ножницы готовы: теперь вирус можно не только распознать, но и разрезать. То есть, уничтожить.
Но известно это стало не сразу, и принимали участие в исследованиях многие и многие.
Тем не менее, первым высказал идею о том, что система CRISPR - это «память» архей и бактерий о перенесённых инфекциях именно Франсиско Мохика, первооткрыватель палиндромных последовательностей. И эта идея очень не сразу была принята научным сообществом: статью, написанную им, различные научные журналы отклоняли в течение полутора лет.
В 2012 году две замечательные женщины-ученые Эммануэль Шарпантье (Франция) и Дженнифер Даудна (США, Калифорния) объединили силы своих лабораторий (которые к тому времени уже давно занимались изучением CRISPR) и смогли приспособить изучаемый механизм к разрезанию любой (а не только бактериальной) молекулы ДНК. Мир получил «ножницы», способные резать ДНК в точно заданном месте. Настроить «ножницы» на поиск каждого нового заданного места оказалось намного проще, быстрее и дешевле, чем создавать белки-нуклеазы прежними способами.
Это открытие было отмечено Нобелевской премией 2020 года.
Недаром Дженифер Даудна и Сэмюэль Стернберг назвали книгу об истории и применении открытия «Трещина в мироздании»: дешёвый, простой, быстрый способ редактирования генома, доступный (в смысле стоимости) буквально каждому желающему – к чему он может привести?
Всего через несколько лет после начала совместной работы Д. Даудна писала:
«К лету 2015-го года биотехнологический метод, который я помогла разработать всего за несколько лет до этого, набрал в своем развитии такую скорость, какую я и представить себе не могла. И возможные последствия его применения обретают подлинно сейсмический масштаб – не только для медико-биологических наук, но и для жизни на Земле в целом»
(Д. Даудна, С. Стернберг. Трещина в мироздании)
В самом деле, такое ощущение, что теперь мы можем всё. Ну, может, не совсем всё, но почти всё... И не обязательно хорошее.
Но метод CRISPR-Cas – это только инструмент. Он сам по себе – не зло и не благо: всё зависит от того, что именно мы захотим сделать.
По крайней мере, хорошего можно сделать много. Лечить генетические заболевания – да! Лечить некоторые разновидности раковых заболеваний. Выводить новые сорта и породы растений и животных.
Но я не ответила на вопрос Тима полностью. Постараюсь продолжить в следующий раз.
А если вы заинтересовались подробностями, рекомендую несколько источников.
1. Просто о сложном: CRISPR/Cas (на сайте Биомолекула; это и правда простой уровень) ( Просто о сложном: CRISPR/Cas (biomolecula.ru)
2. CRISPR для чайников, или Краткая справка по быстрому редактированию ДНК ( CRISPR для чайников, или Краткая справка по быстрому редактированию ДНК / Хабр (habr.com)
3. Д. Даудна, С. Стернберг. Трещина в мироздании (сложнее, но зато очень интересно!)
©Татьяна Виноградова для Синего Сайта
Не пропустите новые публикации, подписывайтесь на наш канал, оставляйте отзывы, ставьте палец вверх – вместе интереснее! Приносите своё творчество на Синий Сайт! Самые интересные работы познают Дзен!
#синий сайт #полезно для авторов #литература #биология