ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Хімія — 08.10.20
    ТЕКСТ: Нобелівський комітет
    Переклад: Марта Льода
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Що, де, кому: Нобелівка з хімії

    Еммануель Шарпантьє та Дженніфер Даудна нагороджуються Нобелівської премією з хімії 2020 року за відкриття одного з найточніших інструментів у генетичних технологіях: генетичних ножиць CRISPR/Cas9. Дослідники можуть їх використовувати, щоб міняти ДНК тварин, рослин та мікроорганізмів з надзвичайно високою точністю. Ця технологія здійснила революцію в молекулярних біологічних науках, принесла нові можливості для виведення сортів рослин, робить свій вклад в інноваційне лікування раку та може допомогти здійснити мрію зцілення від спадкових хвороб.

    Одна з привабливих сторін науки – це її непередбачуваність. Ніколи не можна знати наперед, куди може привести ідея або запитання. Іноді допитливий розум може зайти в глухий кут, іноді він натикається на складний лабіринт, через який треба пробиратися роками. Та час від часу людина усвідомлює, що вона перша в світі, чиєму погляду відкрився горизонт несказанних можливостей.

     

    Інструмент генетичного редагування CRISPR-Cas9 – це одне з таких неочікуваних відкриттів із захопливим потенціалом. Коли Еммануель Шарпантьє та Дженніфер Даудна почали досліджувати імунну систему бактерії стрептокока (Streptococcus), то однією з думок було, що це може допомогти розробити новий антибіотик. Натомість вони відкрили молекулярний інструмент, який можна використовувати, щоб робити точні розрізи в генетичному матеріалі, що дозволяє легко вносити зміни у код життя. 

    Використовуючи генетичні ножиці, дослідники можуть редагувати геном майже всіх живих істот. 

    Потужний інструмент, який вплине на всіх

     

    Всього за вісім років після відкриття ці генетичні ножиці вже перевернули всі науки про життя. Біохіміки та клітинні біологи тепер можуть легко дослідити функції різних генів та їхню можливу роль у прогресуванні захворювань. У виведенні сортів рослин дослідники можуть наділяти рослини специфічними характеристиками, наприклад, стійкістю до посух у теплішому кліматі. В медицині цей інструмент для редагування генів робить вклад у нові види лікування раку та перші дослідження у намаганнях вилікувати спадкові хвороби.

     

    Існує майже нескінченна кількість прикладів застосування CRISPR-Cas9, серед них і неетичні використання. Як і зі всіма потужними технологіями, використання цих генетичних ножиць потребує регулювання. Більше про це згодом.

     

    У 2011 році ні Еммануель Шарпантьє, ані Дженніфер Даудна не уявляли, що їхня перша зустріч в кафе у Пуерто-Ріко змінить життя їх обох. Ми почнемо з представлення Шарпантьє, яка висунула пропозицію їхньої співпраці.

     

    Шарпантьє цікавиться патогенними бактеріями

     

    Дехто називає її цілеспрямованою, уважною і ретельною. Інші кажуть, що Еммануель Шарпантьє завжди шукає несподіване. Сама вона повторює цитату Луї Пастера: «Випадок любить підготовані розуми». Жага до нових відкриттів і бажання бути вільною та незалежною керували її шляхом. Зокрема докторантурою в Інституті Пастера в Парижі, вона мешкала у п’яти різних країнах, семи різних містах і працювала в десяти різних інституціях.

     

    Її оточення і підходи змінювалися, але левова частка її досліджень має один спільний знаменник: патогенні бактерії. Чому вони такі агресивні? Як вони розвивають резистентність до антибіотиків? Та чи можливо знайти нові способи лікування, які можуть зупинити їхній прогрес?

     

    У 2002 році, коли Еммануель Шарпантьє заснувала власну дослідницьку групу в Віденському університеті, вона зосередилася на одній із бактерій, які приносять найбільше шкоди людству: Streptococcus pyogenes. Щороку вона інфікує мільйони людей, часто спричиняючи інфекції, які легко лікуються, на кшталт тонзиліту (запалення мигдаликів і слизової горла – прим. пер.) або імпетиго (захворювання шкіри – прим. пер.). Проте вона може спричинити також сепсис, який є загрозою для життя, і руйнувати м’які тканини тіла, що створює їй репутацію «пожирача плоті».

     

    Щоб краще зрозуміти S. pyogenes, Шарпантьє почала з глибокого дослідження того, як регулюються гени цієї бактерії. Це рішення стало першим кроком на шляху до відкриття генетичних ножиць – але перш ніж ми пройдемо цим шляхом далі, дізнаймося більше про Дженніфер Даудну. Тому що поки Шарпантьє проводить детальні дослідження S. pyogenes, Даудна чує – вперше в житті – абревіатуру, що, як їй здається, звучить як «кріспер».     

     

    Наука – настільки ж пригода, наскільки й детектив

     

    Навіть у дитячі роки, коли Дженніфер Даудна росла на Гаваях, вона мала сильну тягу до пізнання. Одного дня батько поклав їй на ліжко книжку «Подвійна спіраль» («The Double Helix») Джеймса Вотсона (один із першовідкривачів структури ДНК, Нобелівський лауреат з фізіології або медицини 1962 року – прим. пер.). Ця розповідь в детективному стилі про те, як Джеймс Вотсон та Френсіс Крік розгадали структуру молекули ДНК, не була схожа ні на що, що вона читала в шкільних підручниках. Її захопив процес наукових досліджень, і вона зрозуміла, що наука – це більше, ніж просто факти.

     

    Проте коли вона почала розв’язувати наукові загадки, то зосередилася не на ДНК, а на її молекулярній сестрі – РНК. У 2006 році, коли ми її зустрічаємо, вона керує дослідницькою групою в Каліфорнійському університеті в Берклі і має двадцять років досвіду роботи з РНК. У неї репутація успішної дослідниці з нюхом на проривні проєкти, і недавно вона почала роботу в новій захопливій галузі – РНК-інтерференції.

     

    Впродовж багатьох років науковці думали, що розуміють базові функції РНК, але несподівано відкрили багато маленьких молекул РНК, які допомагають регулювати роботу генів у клітині. Робота Дженніфер Даудни над РНК-інтерференцією є причиною того, що у 2006 році їй телефонує колега з іншого відділу.

     

    Бактерії є носіями давньої імунної системи

     

    Колега Даудни, мікробіолог, розповідає їй про нове відкриття: коли дослідники порівнювали генетичний матеріал цілковито різних бактерій і також архей (тип мікроорганізмів), вони знайшли повторювані послідовності ДНК, що були надзвичайно добре збереженими. Той самий код з’являється знову і знову, але між повторами розташовані унікальні послідовності, які відрізняються (Рис. 2). Це наче те ж слово повторюється після кожного унікального речення в книзі.

     

    Ці набори повторюваних послідовностей називаються короткими паліндромними повторами, регулярно розташованими групами (clustered regularly interspaced short palindromic repeats), скорочено CRISPR. Цікаво, що унікальні неповторювані послідовності у CRISPR, схоже, збігаються з генетичним кодом різноманітних вірусів, тому наразі вважають, що це частина давньої імунної системи, яка захищає бактерії та архей від вірусів. Гіпотеза в тому, що якщо бактерії вдається пережити вірусну інфекцію, вона додає частку генетичного коду цього вірусу в свій геном як пам’ять про інфекцію.

     

    Ніхто ще не знає, як це працює, каже Даудні колега, але є підозра, що механізм, який бактерії застосовують, щоб нейтралізувати вірус, схожий до того, який вона вивчає: РНК-інтерференція.

     

    Даудна вираховує складну систему

     

    Ця новина водночас відмітна і захоплива. Якщо бактерії справді мають давню імунну систему, то це дуже суттєво. У Дженніфер Даудни прокидається чуття на молекулярні інтриги, і вона починає дізнаватися все, що може, про систему CRISPR.

     

    Виявляється, що на додаток до послідовностей CRISPR дослідники відкрили особливі гени, які назвали CRISPR-асоційованими, скорочено cas. Даудну зацікавлює, що ці гени дуже схожі на гени, які кодують вже відомі білки, що спеціалізуються на розкручуванні та розрізанні ДНК. То чи мають білки Cas таку ж функцію? Чи ріжуть вони вірусну ДНК?

     

    Вона залучає до роботи свою дослідницьку групу, і за кілька років їм вдається прояснити функції кількох різних білків Cas. Паралельно до них низка інших дослідницьких груп в інших університетах вивчає нововідкриту систему CRISPR/Cas. Їхні результати показують, що імунна система бактерій може мати дуже різні форми. Система CRISPR/Cas, яку вивчає Даудна, належить до класу 1; це складна машинерія, що вимагає багатьох різних білків Cas, щоб роззброїти вірус. Системи класу 2 значно простіші, бо потребують меншої кількості білків. В іншій частині світу Еммануель Шарпантьє саме натрапила на таку систему. Повертаємося до неї.

     

    Новий і невідомий шматок головоломки системи CRISPR     

     

    Коли ми покинули Еммануель Шарпантьє, вона мешкала у Відні, але в 2009 році вона переїхала зайняти посаду з хорошими можливостями для досліджень в Університеті Умео на півночі Швеції. Її застерігали від переїзду у настільки віддалену частину світу, але довга темна зима дає їй вдосталь тиші і спокою для роботи.

     

    А вона цього потребує. Вона також цікавиться маленькими молекулами РНК, які регулюють роботу генів, і, працюючи з дослідниками в Берліні, вона визначила маленькі РНК в S. pyogenes. Результати дали їй над чим задуматись, бо одна із молекул маленької РНК, яка присутня в цій бактерії в великих кількостях – це на той момент невідомий варіант, і генетичний код цієї РНК дуже схожий на особливу послідовність CRISPR в геномі цієї бактерії. 

     

    Схожості між ними наштовхують Шарпантьє на думку, що вони пов’язані. Детальний аналіз їхнього генетичного коду також виявляє, що частина цієї малої невідомої молекули РНК збігається з тією частиною CRISPR, яка повторюється. Це як знайти два шматочки головоломки, які ідеально збігаються (Рис. 2).

     

    Шарпантьє ніколи до того не працювала з CRISPR, але її дослідницька група розпочинає ретельну мікробіологічну детективну роботу, щоб описати систему CRISPR у S. pyogenes. На той момент вже було відомо, що ця система, яка належить до систем класу 2, потребує лише одного білка Cas, щоб розрізати вірусну ДНК – Cas9. Шарпантьє показує, що та невідома молекула РНК, яку назвали «транс-активуюча crispr РНК» (trans-activating crispr РНК, скорочено tracrРНК), також має вирішальну функцію: вона необхідна довгій РНК, яка зчитується з послідовності CRISPR в геномі, щоб дозріти до своєї активної форми (Рис. 2).

     

    Після інтенсивних і прицільних експериментів Еммануель Шарпантьє публікує відкриття tracrРНК в березні 2011 року. Вона знає, що наздоганяє щось дуже захопливе. Вона має великий досвід в мікробіології і у продовженні досліджень системи CRISPR/Cas9 хоче співпрацювати з біохіміком. Дженніфер Даудна – природний вибір для цього. Тож тієї весни, коли Шарпантьє запрошують на конференцію у Пуерто-Ріко розповісти про своє відкриття, її мета – познайомитися з цією вправною дослідницею з Берклі.

    Зустріч у кафе в Пуерто-Ріко, яка змінила життя

     

    За збігом обставин, вони перетинаються в кафе на другий день конференції. Колега Даудни знайомить їх, і наступного дня Шарпантьє пропонує разом оглянути старі квартали столиці. Гуляючи брукованими вуличками, вони починають розмовляти про свої дослідження. Шарпантьє запитує, чи Даудну зацікавила б співпраця: чи захоче вона взяти участь у дослідженні функцій Cas9 в простій системі класу 2 S. pyogenes?

     

    Дженніфер Даудна заінтригована, і вони з колегами готують плани цього проєкту на онлайн-зустрічах. Вони підозрюють, що CRISPR-РНК необхідна для виявлення вірусної ДНК, і що Cas9 – це ножиці, які вирізають цю молекулу ДНК. Проте коли вони перевіряють це in vitro, нічого не відбувається. Молекула ДНК залишається неторкнутою. Чому? Може, щось не так з умовами експерименту? Чи, може, Cas9 має зовсім іншу функцію?

     

    Після добрячої кількості мозкових штурмів і численних невдалих експериментів дослідники нарешті додають tracrРНК у свої тести. Раніше вони вважали, що tracrРНК потрібна тільки при розрізанні CRISPR-РНК в активну форму (Рис. 2), але як тільки Cas9 отримав доступ до tracrРНК, сталося те, на що всі чекали: молекула ДНК була розрізана на дві частини.

     

    Шляхи еволюції часто дивують дослідників, але це було щось надзвичайне. Зброя, яку стрептококи розвинули для боротьби з вірусами, проста і ефективна, ба навіть блискуча. На цьому історія генетичних ножиць могла закінчитись. Шарпантьє і Даудна виявили фундаментальний механізм в бактерії, яка приносить багато страждання людству. Це відкриття саме по собі було вражаючим, але випадок любить підготовані розуми.

     

    Епохальний експеримент

     

    Дослідниці вирішили спробувати спростити генетичні ножиці. Використовуючи нові знання про tracrРНК і CRISPR-РНК, вони знайшли, як з’єднати їх в одну молекулу, яку вони назвали вказівною РНК. Із цим спрощеним варіантом генетичних ножиць вони проводять епохальний експеримент: досліджують, чи можливо контролювати цей генетичний інструмент так, щоб він розрізав ДНК в місці, яке оберуть дослідники.

     

    На цей момент дослідниці вже знають, що вони за крок до великого прориву. Вони беруть ген, який є на той момент у морозильній камері в лабораторії Даудни, і обирають п’ять різних місць, в яких його треба розрізати. Тоді вони міняють в ножицях частину CRISPR, щоб її код збігався з кодом місця, де треба зробити розрізи (Рис. 3). Результати перевершили всі очікування. Молекули ДНК були розрізані точно в потрібних місцях.

    Генетичні ножиці змінюють біологічні науки

     

    Невдовзі потому, як у 2012 році Еммануель Шарпантьє і Дженніфер Даудна публікують своє відкриття генетичних ножиць CRISPR/Cas9, кілька груп дослідників демонструють, що цей інструмент можна використовувати, щоб модифікувати гени в клітинах як мишей, так і людей, що веде до вибухового розвитку. Раніше міняти гени в клітині, рослині чи організмі було часозатратно, а іноді й неможливо. Використовуючи генетичні ножиці, дослідники – в принципі – можуть робити розрізи у будь-якому геномі, в якому захочуть. Потім легко використати природні системи лагодження ДНК в клітині, щоб переписати код життя (Рис. 3).

     

    Оскільки цей генетичний інструмент так легко використовувати, тепер він поширений у базових дослідженнях. Його використовують, щоб міняти ДНК в клітинах та лабораторних тваринах, щоб зрозуміти, як різні гени функціонують і взаємодіють, наприклад, під час захворювання.

     

    Генетичні ножиці стали також стандартним інструментом у виведенні сортів рослин. Методи, які дослідники раніше застосовували для модифікації рослинних геномів, часто вимагали додавання генів антибіотикорезистентності. Коли ці сорти висаджували, був ризик, що антибіотикорезистентність розповсюдиться на навколишні мікроорганізми. Завдяки генетичним ножицям дослідникам більше не потрібно застосовувати ці старіші методи, оскільки тепер вони можуть вносити точні зміни в геном. Серед іншого, вони модифікували гени в рисі, які відповідають за всмоктування важких металів з ґрунту, що призвело до появи вдосконалених сортів рису із нижчим вмістом кадмію та миш’яку. Дослідники також розробили культури, які краще витримують посуху в тепліших кліматах, а також стійкі до комах і шкідників, з якими інакше довелося би боротися пестицидами.          

     

    Надія вилікувати спадкові хвороби

     

    У медицині генетичні ножиці роблять свій вклад у нові імунотерапії від раку, і зараз проводяться випробування, щоб здійснити мрію – вилікувати спадкові хвороби. Дослідники вже проводять клінічні випробування, щоб з’ясувати, чи можна застосувати CRISPR/Cas9 для лікування хвороб крові, як-от серповидноклітинна анемія та бета-таласемія, а також спадкових очних хвороб (більше про це читайте у блозі біологині Оксани Півень – прим. пер.).

     

    Вони також розробляють методи виправлення генів у великих органах, як-от мозок чи м’язи. Експерименти на тваринах показують, що спеціально розроблені віруси можуть доставити генетичні ножиці у бажані клітини, і дозволяють лікувати моделі таких нищівних спадкових захворювань як м’язова дистрофія, спінальна м’язова атрофія та хвороба Гантінґтона. Проте технологія потребує подальшого відточення до використання на людях.

     

    Потужність генетичних ножиць потребує регулювання

     

    Попри всі їхні переваги, генетичними ножицями можна і зловживати. Наприклад, їх можна застосувати для створення генно-модифікованих ембріонів. Проте впродовж багатьох років існують закони та регуляції, що контролюють використання генної інженерії, зокрема заборона на модифікацію людського геному у спосіб, який дозволяє успадкування цих змін. Також експерименти на людях і тваринах завжди повинні розглядатися і затверджуватися етичним комітетом до їх здійснення.

     

    Одна річ певна: генетичні ножиці впливають на нас всіх. На нас чекають нові етичні виклики, але цей новий інструмент цілком може зробити свій внесок у вирішення багатьох проблем, з якими зараз стикається людство. Своїм відкриттям Еммануель Шарпантьє та Дженніфер Даудна створили хімічний інструмент, який відкрив нову епоху в біологічних науках. Вони відкрили для нас широкий горизонт неохопного потенціалу, і на шляху, досліджуючи цю нову територію, ми гарантовано здійснимо нові і неочікувані відкриття.       

      

    ТЕКСТ: Нобелівський комітет
    Переклад: Марта Льода
    Статті
    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?

    Ідеї
    Пропаганда у російському кіно

    Як кіно стало частиною пропагандистської та політичної ідеології росії та чи можна якось дати цьому раду?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: