Reportaż

Każdy chce być stworzycielem

  • autor
  • Łukasz Lamża
rysunek Paweł Palikot
Rewolucyjna metoda edycji genomu CRISPR/Cas nie tylko budzi naukowe nadzieje i rodzi wątpliwości bioetyczne, ale również wywołuje wojny patentowe i przepychanki kandydatów do Nagrody Nobla.

W 1989 roku, tuż po ukończeniu obowiązkowego szkolenia wojskowego, 26-letni hiszpański mikrobiolog Francisco Mojica zatrudnił się na Uniwersytecie w Alicante. Jego praca polegała na badaniu jakości wody na atrakcyjnych turystycznie plażach regionu. Spędziwszy wiele tygodni w kurortach Costa Blanca, wzbogacił laboratorium mikrobiologiczne o obszerną bibliotekę próbek zawierających najprzeróżniejsze mikroorganizmy żyjące w piaskach Hiszpanii. Analizował słonolubne archebakterie z gatunkuHaloferax mediterranei, a jego mało ekscytujące zadanie polegało na uzyskaniu ich sekwencji genetycznych. Choć dziś proces ten jest tani i niemal całkowicie zautomatyzowany, wówczas oznaczało to godziny benedyktyńskiej pracy w laboratorium.

Na początku 1993 roku we fragmencie genomu tego organizmu Mojica zauważył coś niezwykłego: powtarzające się w regularnych odstępach sekwencje DNA, niemal identyczne fragmenty kodu o długości około trzydziestu „liter” (zapis informacji w DNA dokonuje się za pomocą czterech nukleotydów, elementów składowych oznaczanych literami A, C, T i G). To tak, jak gdyby w wielu miejscach książki znaleźć to samo długie zdanie. Co ciekawe, fragmenty te miały charakter palindromów. Czytane od początku i od tyłu brzmiały identycznie, jak słowa „oko”, „sedes” czy zdanie „Łapał za kran, a kanarka złapał” mistrza polskich palindromów Józefa Godzica.

Mojica wspomina dziś, że początkowo uznał tak regularny układ nukleotydów za błąd wynikły z technicznego niedopatrzenia. Ot, fragment genomu został skopiowany kilkakrotnie; zdarza się. Aby to zweryfikować, musiał mozolnie odtworzyć wszystkie poprzednie kroki. Szczęśliwie dla siebie – i dla nauki – oparł się pokusie zamiecenia tej osobliwości pod dywan i ponowił procedurę. Wyniki były identyczne. Przełom w zrozumieniu znaczenia tych powtórzeń nastąpił w sierpniu, gdy Mojica spędzał dzień wolny od pracy nad morzem, w Salinas de Santa Pola pod Alicante. Jak wspomina w wywiadzie dla czasopisma „El•lipse”, upał przegnał go z gorącej plaży do laboratorium wyposażonego w klimatyzację. W chłodzie pracowni natrafił wówczas na ślad tego, co dziś określamy jako CRISPR/Cas, część bakteryjnego systemu odporności nabytej.

Przypuśćmy, że pewną bakterię spotyka infekcja wirusowa. Obok mechanizmów komórkowych odpowiadających za wytępienie paskudztwa występują też specjalistyczne białka, które odnajdują obcą cząsteczkę kodu genetycznego wirusa i wycinają z niego niedługi fragment, liczący zwykle trzydzieści do czterdziestu „liter” (nukleotydów). Następnie bakteria wbudowuje go we własną nić DNA w sąsiedztwie charakterystycznej sekwencji, która powiadamia: „Uwaga! Tu przechowywana jest próbka DNA wirusa”. Ów ciąg kodu to właśnie CRISPR, a poszczególne próbki obcego DNA określa się jako „spejsery” (od ang.spacer). Pojedyncza biblioteczka elementów tego typu składa się zwykle z nie więcej niż pięćdziesięciu osobnych zapisów i stanowi ważny składnik komórkowego mechanizmu wykrywania zagrożeń. Przyczepione do odpowiednich białek bakteryjnego „układu odpornościowego” kopie spejserów krążą po komórce, a gdy któraś z nich natrafi na swój odpowiednik – czyli DNA pochodzące od rzeczywistego wirusa – uruchamia reakcję mającą na celu zniszczenie intruza. Jest to mechanizm analogiczny do tego, dzięki któremu nasze własne komórki układu odpornościowego, limfocyty T, są w stanie „zapamiętywać” przeszłe zagrożenia i w przyszłości sprawnie na nie reagować. Na tej zasadzie działają też szczepionki.

Gdy Mojica uświadomił sobie, jakie znaczenie mogło mieć to odkrycie, opisał je i wysłał do czasopisma „Nature”, ale redaktorzy odrzucili jego artykuł, podobnie jak czterech kolejnych wydawców. Dopiero lata później CRISPR/Cas został systematycznie opisany w literaturze naukowej.

Dużą rolę w uznaniu istotności tego systemu odegrały odkrycia takich samych powtórzonych sekwencji u kolejnych gatunków mikroorganizmów. W ten sposób ciekawostka mikrobiologiczna okazała się ważnym procesem występującym, jak się uważa obecnie, przynajmniej u połowy znanych nauce gatunków bakterii, w tym również występujących naturalnie w organizmie zdrowego człowieka (jakEscherichia coli) lub wywołujących u ludzi choroby bakteryjne – to zaś może już mieć kluczowe znaczenie dla nauk medycznych. W 2001 roku Mojica wraz z holenderskim biologiem molekularnym z Utrechtu Ruudem Jansenem zaproponowali nazwę CRISPR: Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats, czyli występujące w grupach („clustered”), w regularnych odstępach („regularly interspersed”) krótkie („short”) sekwencje palindromiczne („palindromic”), które się powtarzają („repeats”). Rok później Jansen zidentyfikował szereg genów współwystępujących z sekwencjami CRISPR i tworzącymi stale stowarzyszony z nimi układ – „CRISPR-associated system”, czyli Cas. Tak narodził się termin CRISPR/Cas. Po kilku latach potwierdzono, że podstawowym mechanizmem, za pomocą którego bakterie unieszkodliwiają intruza zlokalizowanego na podstawie danego spejsera, jest przecięcie DNA w miejscu, do którego się on przyczepia.

 


W środowisku biochemików zaczęła dojrzewać myśl, że stosowana przez naszych jednokomórkowych towarzyszy metoda jest doskonałym narzędziem inżynierii genetycznej. Sama idea edycji genomu zasadza się na tym, aby w ściśle określonym miejscu w DNA wprowadzić modyfikację, dodając coś, ujmując lub podmieniając dany gen na jego odmianę. Pierwszym krokiem jest precyzyjne zlokalizowanie danego odcinka DNA oraz wykonanie w nim przerwania, które odpowiada pierwszemu wgłębieniu skalpela w skórę przy skomplikowanej operacji. CRISPR/Cas to właśnie sprawdzony przez miliardy pokoleń bakterii system lokalizowania ściśle określonej sekwencji i przecinania nici DNA w jej pobliżu.

rysunekPaweł Palikot

Jedną z osób prowadzących badania nad CRISPR/Cas jest Jennifer Doudna, młodsza o rok od Mojiki, ambitna biochemiczka o spektakularnej karierze naukowej. Po kilkuletniej pracy w prestiżowym laboratorium Jacka Szostaka (znakomitego amerykańskiego genetyka polskiego pochodzenia, który w 2009 roku otrzymał Nagrodę Nobla z fizjologii i medycyny) trafiła na Uniwersytet Yale, gdzie w 1994 roku – gdy miała zaledwie trzydzieści lat – pozwolono jej utworzyć własną grupę badawczą. W 2002 roku przeniosła się na Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley (UCB).

O systemie CRISPR/Cas po raz pierwszy usłyszała w rozmowie telefonicznej z mikrobiolożką Jillian Banfield. „Nigdy nie zapomnę dnia, kiedy pierwszy raz usłyszałam słowo «CRISPR»” – Doudna wspomina zdarzenie z 2006 roku w książceA Crack in Creation. Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution (Pęknięcie w dziele stworzenia. Edycja genomu i niewyobrażalna moc kontroli ewolucji). Banfield pracowała wówczas nad systemem CRISPR, którego funkcja i struktura nie były jeszcze dobrze znane. Kontakt do Doudny znalazła przez Google’a, gdy szukała laboratorium biotechnologicznego, które zechciałoby wejść z nią we współpracę. Doudna opisuje, że po krótkiej rozmowie z Banfield zaraziła się jej entuzjazmem (wcześniej sprawdziła w wyszukiwarce, czy rzeczywiście ma do czynienia z szanowanym naukowcem). Kobiety spotkały się w kawiarni w Berkeley, gdzie rozemocjonowana Banfield przyniosła stos prac naukowych. Po krótkiej grzecznościowej wymianie zdań niecierpliwie wyciągnęła notatki i naszkicowała Doudnie na kartce papieru uproszczony schemat systemu CRISPR. Jak wspomina Doudna, przez jej plecy przebiegł dreszcz.

W sierpniu 2012 roku Doudna (wraz z pięciorgiem innych autorów, wśród których znaleźli się Emmanuelle Charpentier, jej przyszła współpracowniczka naukowa i biznesowa, oraz Polak Krzysztof Chyliński, stowarzyszony wówczas z instytucjami naukowymi w Austrii i Szwecji) opublikowała w czasopiśmie „Science” przełomowy artykuł, w którym opisała szczegółowo mechanizm funkcjonowania jednej z kluczowych endonukleaz (enzymów dokonujących cięcia nici DNA) systemu CRISPR/Cas o nazwie Cas9. Doudna i pozostali autorzy przeprowadzili próbne …

Zarejestruj się, by przez miesiąc czytać Pismo bez ograniczeń.

Liczba artykułów dostępnych w całości bez logowania się w naszym serwisie: 0 z 0

Zarejestruj się

FreshMail.pl