Важнейшее открытие биологии XX века. Генетические ножницы

Посмотрите видео на YouTube.

Возможно, вы слышали о CRISPR Cas9 — технологии, недавно получившей Нобелевскую премию. Его используют для производства натурального биотоплива, создания устойчивых к насекомым зерен и даже светящихся цветов. С его помощью у свиней изменяют сердце и почки, чтобы они прижились в организме человека, лечат наследственные заболевания. Ученый Хэ Цзянькуй использовал CRISPR Cas9, чтобы тайно модифицировать ген CCR5 в двух эмбрионах. Девочки-близнецы родились с так называемой устойчивостью к ВИЧ. За это биолога приговорили к трем годам лишения свободы – сейчас мужчина вышел на свободу и продолжает научную деятельность. Сегодня я расскажу вам все, что вам нужно знать об этой удивительной технологии генной инженерии и как это меняет нашу жизнь.

Искусственные органы

Возможно, вы слышали о пациентах, перенесших трансплантацию сердца свиней, и пациентов, перенесших трансплантацию почек свиней. Органы свиньи подходят нам по размеру. Но свиньи генетически не близки к человеку, поэтому организм сильно отторгает их ткани. Благодаря генной инженерии возможна межвидовая трансплантация.

В геном свиньи вносится множество изменений, чтобы сделать ее сердце или почки более подходящими для нас. В сердце было произведено 10 изменений генов, а в последней версии почки — целых 69 изменений генов. Эти изменения включают улучшение функции самого органа, увеличение кровоснабжения кровеносных сосудов, повышение выживаемости и снижение смертности. Риск иммунного ответа. В другом исследовании 62 модификации были сделаны только для того, чтобы нейтрализовать некоторые спящие вирусы, которые пассивно интегрировались в ДНК свиньи и были потенциально опасны для человека.

К сожалению, все трое пациентов, перенесших трансплантацию органов свиньи, умерли через 1,5-2 месяца после трансплантации. Возможно, правда в том, что изначальное здоровье пациента настолько нездорово, насколько это возможно. Но примечательно то, что признаков отторжения органов не было. Эксперименты на здоровых обезьянах подтвердили это. Некоторые из них жили с генетически модифицированными частями свиней более года.

Все эти модификации свиней дороги и сложны. Но если вам когда-нибудь удастся создать такую ​​генетически модифицированную свинью, вы сможете разводить ее обычным способом. Ее потомство также будет иметь органы, пригодные для человека.

Сельское хозяйство

CRISPR Cas9 также может помочь сельскому хозяйству. Давайте возьмем эту картинку в качестве примера. Используя CRISPR Cas9, ученые создали рис, устойчивый к холоду, рис, который лучше растет на засоленно-щелочной почве, рис с более длинными и крупными зернами, а также рис, богатый антиоксидантными антоцианами. Каждое из этих улучшений становится неотъемлемой генетической чертой риса, которая сохранится навсегда. В большинстве улучшений в рис не добавляются посторонние вещества, а лишь нокаутируются определенные гены или, наоборот, повышается их активность. Однако нет ничего плохого во внедрении чужеродных генов. Я подробно обсуждаю мифы о ГМО в своей книге «Сумма биотехнологии.

CRISPR Cas9 также поможет нам перейти на биотопливо в автомобилях и генераторах. Мы научились делать моторное топливо из кукурузы, сахарного тростника, соевых бобов и т д., и теперь вся Америка использует бензин с добавлением 10% и более биоэтанола. В Бразилии бензин без 25% спирта даже не продается. Или вы можете водить машину, употребляя чистый спирт, приготовленный из кукурузы или сахарного тростника. Хотя это не идеально с точки зрения износа двигателя, сгорание становится чище, а само топливо является возобновляемым. Но заменить нефть все еще недостаточно дешево.

Благодаря CRISPR Cas9 ситуация может измениться. Например, бактерии и дрожжи можно сконструировать для более эффективного производства биотоплива. Не только из пищевых ингредиентов, но даже из опилок и бумаги. Существует целый ряд возможных генетических улучшений. Во-первых, можно редактировать геномы микробов, чтобы они производили меньше ненужного материала. В результате топливо легче очищается – и в нем отсутствуют примеси, ухудшающие его качество или загрязняющие окружающую среду. Кроме того, при переработке древесно-целлюлозных отходов в биомассу добавляются ферменты для производства топлива, расщепляющие древесину. И здесь мы можем добавить гены этих ферментов непосредственно в нужные нам микроорганизмы. Наконец, целлюлоза лучше ферментируется при высоких температурах. Таким образом, наши микробы становятся более устойчивыми к жаре. И еще: некоторые виды биотоплива производятся из микроводорослей. Генную инженерию можно использовать для повышения эффективности их фотосинтеза, чтобы они могли лучше улавливать углекислый газ из воздуха.

Все организмы должны копировать свою ДНК и затрачивать на это энергию. Для нашего организма это небольшие затраты, а для микроорганизмов – огромные затраты. Что ж, мы сокращаем бактериальную ДНК до предела, удаляя все ненужные гены: теперь на размножение тратится гораздо меньше энергии. Все больше и больше ресурсов выделяется на производство топлива. Например, учёный Крейг Вентер создал лабораторный вид микоплазмы с почти вдвое меньшим количеством генов, чем обычная микоплазма. Эти организмы могут стать идеальными производителями топлива.

Светящиеся дрова и мясо

Меня впечатлила статья 2023 года «Создание биолюминесцентных лесов с использованием CRISPR CaS9». Кстати, старшеклассник из Индии предложил создать такой лес – чтобы можно было без страха гулять по ночам и украшать его ветками. В 2024 году «Светлячок Петуния», светящееся комнатное растение в горшке, разработанное совместно с российскими учеными, будет доступно для предварительного заказа в США. Всего 30 долларов! К сожалению, все саженцы распроданы.

Преимущества светящегося белка выходят за рамки красоты. С помощью этого света можно выявить в продуктах болезни и даже запрещенные примеси. С этой целью ученые модифицировали инструмент генетической модификации Cas9. Они прикрепили половину светящегося белка глубоководной креветки к ножницам ДНК, которые сами потускнели. Теперь, если ножницы находят нужную мишень, а точнее две мишени рядом друг с другом, они попадают на мишень, две половинки белка становятся одним целым, и вуаля – он светится.

В результате получается детектор определенной последовательности ДНК. Например, ваша слюна содержит коронавирус. Плюнули в пробирку и она начала светиться. Итак, они заболели. Или представьте, что вы Павел Дуров – вам нужно найти своего ребенка. Ребенок плюет в пробирку с помощью специального детектора. Горит ли он правильным цветом? твой! И не позволяйте им говорить, что им плевать на детей!

Генные терапии

В 2023 году FDA одобрило генную терапию с использованием CRISPR Cas9 для лечения серповидноклеточной анемии. Это серьезное заболевание, при котором эритроциты имеют аномальную форму. Как работает лечение? Стволовые клетки берутся из костного мозга пациента. Гены этих стволовых клеток редактируются так, что они производят правильные эритроциты и возвращают их в организм. Ученые изучают возможности генной терапии других заболеваний, от бокового амиотрофического склероза до синдрома DIDMOAD, вызывающего слепоту и глухоту у детей.

Тайны древней технологии

Есть такая бактерия – термофильный стрептококк. Широко используется в молочной промышленности. Благодаря ей мы смогли есть моцареллу и йогурт. Его также используют для приготовления закваски для сыров Пармезан, Эмменталь и Грюйер. Только в 1998 году с помощью этой бактерии в США было произведено более 600 000 тонн йогурта и более 1 миллиона тонн сыра моцарелла. Но есть проблема с этой бактерией. На самом деле, бактерии могут вызвать у вас заболевание. Они заражаются особыми вирусами, бактериофагами. Поэтому ученые пытаются повысить устойчивость полезных бактерий к инфекциям. Но в какой-то момент они обнаружили, что такая возможность у них уже есть. И она очень умна в своей работе. У многих бактерий есть специальные ножничные белки, которые могут распознавать и разрезать фрагменты вирусной ДНК и вставлять их в собственную ДНК бактерий.

Бактерии — опытные генные инженеры. Некоторые из них любят редактировать геномы растений, заставляя их добывать питательные вещества для себя. Но они в равной степени готовы генетически модифицировать себя. Они поедают фрагменты ДНК в окружающей среде и обмениваются генетическим материалом друг с другом, используя кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Например, с помощью плазмид они могут поделиться устойчивостью к антибиотикам со своими сверстниками. Ну, бактерии получают генетические сегменты от вирусов. Большинство известных видов бактерий и архей, двух древнейших форм жизни, способны целенаправленно интегрировать в себя вирусные фрагменты. Оказывается, генная инженерия — древняя технология наших предков.

Сейчас я расскажу вам, как ученые изобрели генетические ножницы. Обычно в новостях пишут «CRISPR CaS9». Но на самом деле это две разные вещи. CaS9 — белок, разрезающий ДНК. CRISPR — это особый сегмент ДНК, обнаруженный у бактерий и архей. Они подобны компьютерным антивирусным базам данных, хранящим фрагменты фаговой ДНК. База данных может быть дополнена фрагментами генетического материала новых вирусов, встреченных клеткой. База данных направляет ножницы к цели.

В 2005 году несколько ученых сравнили ДНК вируса с фрагментами ДНК в необычных структурах CRISPR и обнаружили, что уникальные фрагменты ДНК, состоящие из повторяющихся участков, очень похожи на чужеродные гены. Бактерии интегрируют вирусные гены в свою ДНК.

В работе также принимают участие эксперты Danisco по йогуртам. В 2007 году они продемонстрировали, что система CRISPR может обеспечить противовирусную защиту бактерий. Я хорошо помню, как взорвался ажиотаж вокруг этого открытия. Когда я готовился получить диплом в МГУ, мой научный руководитель активно работал над CRISPR и рассказал мне, насколько это важно. Евгений Кунин, один из самых цитируемых биологов в мире, предсказывает Крисперу блестящее будущее. Кунин действительно был источником этого открытия. В 2006 году он и его коллеги написали, что CRISPR использовался не для восстановления ДНК, а специально для защиты от вирусов.

Но остается вопрос: что делать с этим открытием? Да, бактерии могут бороться с вирусами, но какое нам это имеет значение? В 2012 году на этот вопрос ответили американка Дженнифер Даудна и француженка Эммануэль-Мари Шарпантье. Опубликовав статью в журнале Science, они раскрыли всю структуру механизма от начала до конца и научились «программировать» молекулярные ножницы так, чтобы они разрезали ДНК именно там, где нам нужно.

Библиотекари-убийцы

За это великое открытие Даудне и Шарпантье получили Нобелевскую премию. Всего через 8 лет наступит 2020 год. Обычно Нобелевский комитет ждет, пока открытие не подтвердится на 100%. Но масштаб прорыва здесь очевиден.

Теперь посмотрите на картинки.

Выше вы можете увидеть вирус бактериофага, проникающий через мембрану бактериальной клетки. У вирусов есть ДНК! Специальный белок Cas (не Cas9, а что-то другое) вырезает этот кусок ДНК. Они вставили его в определенное место в собственной ДНК бактерии, внутри той же кассеты CRISPR. Как добавить новые записи в антивирусную базу. С этой ДНК считывается большое количество одноцепочечных молекул РНК, части которых аналогичны таковым у различных вирусов.

Крупную РНК, содержащую множество вирусных фрагментов, затем разрезают на более мелкие кусочки в зависимости от маркеров. Каждый фрагмент теперь содержит образец только одного вируса, как листовка с надписью «Разыскивается». Затем, подобно тому, как полиция использует сигналы для поиска преступников, белок Cas9 берет эти «РНК-листовки» и ищет полноразмерные вирусные частицы со схожим описанием. Отрежьте их, и вирус умрет.

Как обмануть клетку

Эти листочки РНК, которые белок Cas9 использует для захвата вируса, называются «направляющими РНК». Именно они говорят молекулярным ножницам, что делать. Но что произойдет, если мы поместим в него изобретенную нами «направляющую РНК» белок Cas9? Мы можем нацелить его на любую генетическую последовательность. Вы даже можете вырезать вирус ВИЧ, который по незнанию встроился в ДНК клетки.

Более того, еще в 2013 году ученые показали, что эта упрощенная система направляющих РНК и белка Cas9 может быть внедрена в любую клетку, включая клетки человека и инициировать процесс целевого редактирования генов. Достаточно ввести в клетку два гена. Один кодирует ножницы Cas9, а другой — направляющую РНК. Они сразу начали работать вместе.

Почему в моих клетках вдруг начал работать чужеродный ген? Фактически каждая нить ДНК состоит из одних и тех же четырех нуклеотидов. Что у меня, что у вас, что у бактерий. Поэтому гены одних организмов и других организмов вполне совместимы друг с другом. Предположим, у нас есть операционная система. Иногда введения участка ДНК в ядро ​​клетки достаточно, чтобы новый ген заработал.

Вирусы также могут проникать в клетки и безнаказанно использовать их генные фабрики, заставляя их синтезировать свои копии. С CRISPR Cas9 мы делаем то же самое, но приносим это оружие на благо человечества. Ну, вводить гены в клетки можно разными способами. Используйте иглу, вирус, плазмиду или что-то еще.

Как зашить хромосому обратно?

Я вам расскажу страшную вещь, которую придумали учёные. Это называется «мутагенная цепная реакция». Цепная реакция мутагенеза — это метод с использованием CRISPR Cas9, описанный в журнале Science. Это позволяет отменить классические законы наследования. Убедитесь, что генетическая вариация передается не половине потомства, как обычно, а всему потомству.

Это то, что обычно происходит? У меня есть две копии каждой хромосомы: одна от моей матери и одна от моего отца. Каждому гипотетическому ребенку я бы передал только одну хромосому из каждой пары. Если у меня есть уникальная мутация в одной из моих хромосом, она передастся половине моих детей. Мутагенная цепная реакция забирает все это и уничтожает.

Это картинка из статьи.

Посмотрите на рисунок А. Выше представлена ​​нативная ДНК плодовой мухи в клетке плодовой мухи. Ниже представлены круги ДНК, созданные учеными, скрывающие гены белка Cas9 и направляющие РНК, указывающие нам, где разрезать. Область вокруг предполагаемого места разреза отмечена красным. Это место, где белок Cas9 распознает и расщепляет. Области HA1 и HA2 очень похожи на области слева и справа от разреза.

Теперь представьте, что мы разрезаем ДНК в определенном месте. Что делают клетки? Попробуйте сшить слезы вместе. Но затем Ножницы снова распознают цель и разрезают ее. Клетка сшита, ножницами вырезана иголка. Они отрезали его. Это как война правок на странице Википедии.

К счастью, у клеток есть другой способ самовосстановления. Если ей «кажется», что в этом пробеле может отсутствовать несколько генетических «предложений», она попытается «подсмотреть» недостающий текст во второй копии ДНК где-то поблизости. Не зря у нас два набора хромосом! А вот вторая хромосома здесь точно такая же. Его также вырезают и сшивают в круги. Что делать несчастной клетке? Здесь мы предлагаем ей единственный выход из этого бесконечного круга. Мы не зря создаем искусственные кольцевые ДНК с участками На1 и На2, похожими на предполагаемый сайт расщепления. Из-за этого сходства клетки могут подумать, что наша конструкция — это резервная копия. Левый конец такой же? Похожи ли правые концы? Хорошо, давайте вставим весь сегмент между двумя концами, как и должно быть победа. Результатом является рисунок C. Мы достигли своей цели, и разрезание ДНК прекратилось. Ведь теперь, когда красные кончики находятся далеко друг от друга, ножницы больше не могут найти свою цель.

Теперь ножницы Cas9 и гены направляющей РНК вставляются внутрь хромосомы вместе со вставкой. Оказывается, с помощью генной инженерии мы дали клеткам наследуемый инструмент для генетической модификации. Когда такая мутантная хромосома передается потомству, она модифицирует по своему образу вторую копию этой хромосомы, унаследованную от другого родителя. На этих картинках две линии — это уже две хромосомы. Как только отредактированная хромосома оказывается в той же клетке, что и другая хромосома без такой вставки, ножницы раскрываются, и восстановление ДНК предположительно происходит снова. Отсюда и название «мутагенная цепная реакция». Это гарантирует, что все ваши потомки и их потомки – и потомки потомков их потомков – будут иметь эту мутацию.

Безопасный вариант

Многие люди когда-то были напуганы этой технологией со страшным названием. Что, если мутации вредны? Или вставка со временем сломается и станет вредной? Хорошая и плохая новость заключается в том, что если вид меняет поколения очень медленно, невозможно использовать мутагенную цепную реакцию, чтобы сделать что-то хорошее или плохое. Вы устанете ждать распространения мутаций.

Обратите внимание: Генетические ресурсы растений гарантируют будущее человечества.

Но теперь я могу описать, как работает по-настоящему эффективный и более контролируемый подход CRISPR Cas9. Такой подход позволяет нам вставлять новые части генома там, где они нам строго необходимы, но без нежелательных последствий.

Давайте построим еще раз, как показано на рисунке А. Но мы не будем вставлять ножничный ген во вставку, то есть между НА1 и НА2. Давайте выделим эти гены. Тогда ножницы могут работать только один раз. А вставленный фрагмент будет содержать только полезную нагрузку. Например, мы потеряли способность организма самостоятельно синтезировать гены витамина С. Тогда не будет цепной реакции. Наследственность этой мутации такая же, как и у любого гена, встречающегося в природе.

Но есть категория миссий, где можно конкретно использовать Мутагенного Демона Цепной Реакции. Подобно биологическому оружию, его можно использовать, чтобы навсегда изменить целое население. Например, гигантский борщевик Сосновского многие ненавидят. Это инвазивный сорняк, который наносит вред экосистемам и вреден для человека. Вставляем в борщевик мутагенные бомбы встроенными ножницами. Это делает борщевик гигантский восприимчивым к веществу, безвредному для других растений, с которым борщевик гигантский обычно не встречается. Затем мы выпустили мутантный борщевик в дикую природу и использовали его пыльцу для массового опыления других борщевиков. Поскольку наша мутация передается всему потомству, со временем она становится доминантной. Инфекции растут в геометрической прогрессии. Через 30 лет у большинства борщевиков разовьется эта мутация. Наступает «час Х», и мы уничтожаем ничего не подозревающего гигантского борщевика разрушительным ударом вируса или вещества.

Это чисто гипотетически. Но это возможно.

Чтобы понять, почему ученые так любят CRISPR Cas9, нам нужно оглянуться назад на историю. В конце концов, гены редактировались задолго до появления этой технологии. Например, в 1972 году учёные впервые объединили фрагменты ДНК двух вирусов — и получили так называемую рекомбинантную молекулу ДНК. В 1974 году родилась первая генетически модифицированная мышь. Тот факт, что ДНК можно разрезать и склеить обратно, был продемонстрирован еще раньше, в конце 1960-х годов. Тогда расцвела генная инженерия растений. Мы изучали эту технологию с бактериальной точки зрения. Поэтому в 1983 году американские учёные генетически модифицировали табак, чтобы сделать его устойчивым к антибиотикам. В 1992 году в Китае было выведено первое коммерческое растение табака, устойчивое к вирусам. В 1994 году на рынок поступили первые генетически модифицированные съедобные помидоры с увеличенным сроком хранения.

Так что же нового принесли нам генетические ножницы? Повысьте точность и безопасность. Теперь мы выбираем точное место, где мы хотим редактировать контент. Объясню на примере того же растения. До наступления более ясных дней их гены модифицировались двумя основными способами. Во-первых, это генная пушка. Мы помещаем фрагменты ДНК на крошечные наночастицы вольфрама или золота, биоинертных металлов. Затем мы загружаем их в пневматические пушки и стреляем в специально подготовленные растительные ткани. Мы стреляем беспорядочно, как из дробовиков. Частицы задерживаются здесь и там, а некоторые оказываются в правой части ядра. В большинстве случаев ничего не дает. И лишь небольшой процент клеток где-либо имеет необходимые гены, интегрированные в их ДНК. Растения просто растут из этих клеток бесполым путем.

Второй метод — Agrobacterium tumefaciens. Мы извлекаем из почвы бактерии, способные редактировать геном самого растения. Эти бактерии имеют специальную плазмиду, с помощью которой часть их генетического содержимого переносится в растительные клетки. Далее мы редактируем эту плазмиду, чтобы бактерия перенесла в растение не те гены, которые ей нужны, а нужные нам. Мы выращиваем бактерии на растениях.

Проблема в том, что мы также не можем контролировать точное место вставки. Это не страшно: мы всегда можем отследить, где это произошло, и переделать, если результат нам не понравится. Есть еще один нюанс. Эту плазмиду необходимо подготовить. Прежде чем какой-либо генетический материал можно будет куда-то перенести, мы должны получить необходимую нам генетическую конструкцию. Этот Cas9 может вырезать практически все, что мы настроим. Раньше, если вы хотели разрезать ДНК в нужном месте, вы находили специальный фермент, который мог разрезать именно ту последовательность нуклеотидных букв, которую вы хотели.

Это изображение, на котором изображена кольцевая молекула ДНК, плазмида.

На картинке вы можете увидеть различные загадочные слова – и цифры рядом с ними. Это места, где определенные ферменты, такие как Ecor1, могут разрезать ДНК. Вы можете выбирать только из этих вариантов. Известно множество таких ферментов. Тем не менее, такие ферменты имеют тенденцию искать очень короткие участки ДНК. Это значит, что в длинной ДНК обязательно не только разрежут там, где нужно, но и получат ложные срабатывания. В общем.. много хлопот. Ученым приходится создавать специальные плазмиды с набором ферментов, чтобы в пробирке можно было разрезать плазмиду в строго определенном месте и что-то туда вставить. Также убедитесь, что вставка не содержит ничего, что может разрезать наш фермент.

Теперь стало ясно, насколько удобными могут быть генетические ножницы CRISPR Cas9. Они могут резать с высокой точностью где угодно. Традиционные ферменты распознают 6-8 нуклеотидов, но здесь требуется примерно 20 совпадений.

Представьте, что у вас есть товарищ майор. Они захватывают врагов государства. В старой версии генетической модификации у нас было грубое описание. Рыжий, как Булгаков, прыгает. Затем вы сбрасываете этого агента с парашютом в случайное место в стране, и он бродит по городу в поисках этого человека. Конечно, иногда это выходит случайным людям. С помощью «Молекулярных ножниц» ваш агент получает номер паспорта, который дает доступ ко всем базам и камерам страны. Затем он ищет этого человека по базе данных, ищет через камеру и находит его.

CRISPR Cas9 также имеет недостатки. Система CRISPR Cas9 иногда допускает ошибки. Иногда CRISPR создает мутации там, где это не требуется. Это называется нецелевой мутацией.

Вашим агентам ФСБ поручено ликвидировать Васю Петина. Петя Васин подбежал к нему и был застрелен. Может быть, больше граждан. Вероятность ошибки невелика, но чем больше размер толпы (размер генома), тем больше вероятность попасть не в того человека.

Именно поэтому так резко критикуют китайских учёных, которые генетически модифицируют человеческие эмбрионы для повышения устойчивости к ВИЧ. В принципе идея здравая. Мы знаем конкретный вариант гена, который обеспечивает этот иммунитет, и можем вакцинировать им людей. Некоторых пациентов с ВИЧ удалось вылечить путем трансплантации костного мозга от доноров с этой мутацией.

Хэ Цзянькуй получил одновременно три серьезных иска. Во-первых, что произойдет, если мутация не достигнет своей цели? Шанс небольшой, но он существует. С табаком или кукурузой нет проблем, десять плохих кустов растут, ты их выбрасываешь и сажаешь одиннадцатый. Это живой ребенок, который может переносить эту мутацию. Во-вторых, вмешательство не было необходимым с медицинской точки зрения. Вам не нужно выполнять эту процедуру. Более того, это могут сделать даже дети, чьи родители инфицированы ВИЧ. Хэ Цзянькуй сказал, что операция была необходима, потому что отец пары болен СПИДом. Но сегодняшняя медицина позволяет ВИЧ-инфицированному отцу иметь неинфицированное потомство без какой-либо генной инженерии. В-третьих, если что-то пойдет не так, это нанесет огромный удар по репутации современной генетики и генной инженерии. Не говоря уже о том, что сам Хэ Цзянькуй явно внес не совсем правильные изменения. Поэтому иммунитет от ВИЧ сам по себе может не сработать у детей. Причем делал все тайно, без возможности самостоятельно пересмотреть все процедуры.

Но я считаю, что если подойти к этому вопросу детально, то можно и нужно использовать CRISPR Cas9 на благо человека, в том числе эмбрионов. У меня в школе был учитель молекулярной биологии Денис Ребриков. Сейчас он является проректором по научной работе Пироговского университета. Он и его научная группа утверждают, что создали метод на основе CRISPR Cas9 для устранения врожденной глухоты у людей. Есть ген, который нужно исправить. До сих пор они успешно делали это на клетках in vitro. Они стремятся протестировать терапию на детях, которые почти на 100 процентов рождаются глухими. Причина, по которой этого не происходит, может вас удивить. Сами родители не были согласны с этой процедурой по ряду причин. Это вовсе не опасение, что что-то пойдет не так. Из страха, что все пойдет «так». Со временем культура, уникальная для глухонемых людей, исчезнет. Поэтому вопрос трансформации человека является спорным и сложным в обществе. Для меня ответ очевиден, но что делать?

Как сделать CRISPR безопаснее

Но как насчет нецелевых мутаций? Как мы можем улучшить CRISPR Cas9? Ученые не сидят сложа руки и придумали несколько способов избежать рисков такого подхода. Например, они научились модифицировать инструменты генетической модификации. Редактируйте сам белок Cas9, вводя мутации, чтобы сделать его более точным или даже получить совершенно новые способности. Самый простой пример — точная тренировка. Мы получили ген, кодирующий белок CaS9. Мы ввели в него случайные мутации и выбрали те версии, которые сокращаются точнее и вызывают меньше мутаций, не попадающих в цель. Это привело к искусственной эволюции белки-снайпера.

Но вы можете поступить по-другому. ДНК представляет собой двойную спираль. Обычно Cas9 разрезает всю двойную спираль. Затем ученые создали специальную версию Cas9, которая разрезает только одну из двух нитей. Это умная идея. Обычно Cas может распознавать нуклеотидные фразы длиной до 20 букв. На самом деле это очень много, в несколько раз больше, чем другими методами. Но что, если мы хотим быть более точными и ищем точную фразу длиной 40 букв? Ведь в нашем геноме целых 3 миллиарда таких букв. Там случайно могла оказаться фраза из 20 букв. Но чем длиннее фраза в поле поиска, тем меньше вероятность, что вы допустите ошибку.

Посмотрите сейчас. Мы дали Cas9 задание, требующее первых 20 букв парольной фразы. Второй Cas9 – для последних 20 букв. При этом первый может перерезать цепь только слева, а второй – справа. ДНК разрывается только тогда, когда все 40 букв находятся в непосредственной близости. Если работает только один Cas9, ДНК не сломается. Это снижает вероятность ошибок при введении мутаций не в том месте».

Но это не ограничение. Другая группа учёных придумала более хитрый ход. Они научили Cas9, как в принципе разрезать ДНК. Такой Cas9 умеет только распознать куда надо и воткнуть, но не может разрезать. Затем к этим «тупым ножницам» они присоединили половину другого белка, способного разрезать ДНК. Разрезание теперь происходит только тогда, когда два разных Касса одновременно прибывают в нужное место. У каждого своя половина ключа – скажем, 20 букв. Если все 40 ножниц сойдутся вместе, действительно острые половинки ножниц сойдутся вместе и разрежут в нужном месте.

Генетический выключатель

Допустим, я не хочу навсегда менять свою ДНК, но хочу в нужный момент отключить определенные гены и активировать их в другой момент. Каждая клетка с ядром содержит весь наш геном. Но не все 20 000 генов играют роль в каждой клетке. Активны только те клетки, которые нужны этой клетке, остальные спят. Некоторые гены включаются сигналами. Представьте себе это. У вас скоро вечеринка, и вы хотите заранее разработать фермент, расщепляющий алкоголь, чтобы вы могли напоить всех и спрятаться под столом пожалуйста! Давайте посмотрим на еще один трансгенный Cas9. Он нацелен именно на те 20 необходимых нуклеотидов. Но вместо того, чтобы разрезать, ДНК химически «переключает переключатель» — она воздействует на специальные эпигенетические метки переключения. Включайте или выключайте гены в зависимости от ситуации.

Никто еще не делал этого с людьми, но если бы они это сделали, вот как бы это выглядело: мы бы нашли ген, необходимый для активации переработки алкоголя. Мы создаем два специальных соединения, способных переключать этот ген, которые авторы называют CRISPR-ON и CRISPR-OFF. Затем мы вводим их в организм в вирусных кассетах с целью проникновения в клетки печени. Все готово к использованию.

Когда я хожу на вечеринки, я принимаю специальное вещество под названием Триггер А, которое активирует CRISPR-ON. У меня резко возрастает выработка ферментов, расщепляющих алкоголь, и я не напиваюсь всю ночь. На следующее утро я принимаю еще одно триггерное вещество B и отключаю режим. Или я его не выключаю.

Конечно, это не так просто. Здесь определенно много подводных камней и, возможно, побочных эффектов. Но благодаря модифицированным белкам Cas9 мы довольно близко подошли к настоящей научной фантастике.

Заключение

CRISPR Cas9 — не единственный метод генной инженерии. CRISPR Cas9 оказался самым разрекламированным и удобным, поэтому мы постоянно о нем слышим. Но это был большой прорыв. Кстати, Нобелевскую премию могли присудить и раньше. В научном сообществе многие считают, что Нобелевский комитет колебался просто потому, что так долго не мог выяснить, кому на самом деле принадлежит патент на изобретение.

Да, началась патентная битва по поводу CRISPR Cas9. С одной стороны — Дудна и Карпентье, которые в итоге выиграли премию, а с другой — ученые из Гарвардского института Броуда. Всего на тему технологии CRISPR Cas9 зарегистрировано более 11 000 патентов. Также опубликовано около 30 000 научных статей. Рассмотрим взрывное развитие технологии: до 2012 года ежегодно публиковалось 1-2 статьи о Cas9. Поскольку эффективность метода была доказана в 2012 году, ежегодно публикуются тысячи статей. Вот как выглядит настоящая Нобелевская премия.

Для биологии открытие CRISPR Cas9 во многом похоже на открытие двигателя внутреннего сгорания. Промышленность уже была в полном разгаре до появления двигателей. Уже повсюду были паровые машины на заводах, паровозы, корабли и даже экскаваторы. Были опробованы даже электромобили и трамваи. Но все изменилось, когда были изобретены бензиновые и дизельные двигатели. Всего за 20 лет города наполнились легковыми автомобилями, грузовиками и автобусами. В небо поднялись самолеты и вертолеты. Цивилизация изменилась.

Таким образом, взрыв генной инженерии уже происходит на наших глазах. Молекулярные ножницы на данный момент являются самым влиятельным биологическим открытием XXI века. Но это пока все.

[Моя]НаукаНаучпоп длинная статья 0

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Важнейшее открытие биологии XX века. Генетические ножницы.