Редагуй як бог: технологія зміни геному CRISPR-Cas9

АвторОксана Расулова
6 Серпня 2018
Теги:
Ідеї майбутнє наука технології

За цю технологію ведуться патентні війни між корпорацією ІМТ і Каліфорнійським університетом. Білл Гейтс інвестує у стартап, який допоможе завдяки їй змінити людство. Дженіфер Лопес продюсує кримінальний серіал про її розвиток. Знайомтеся: у спецтемі «Ідеї» – CRISPR-Cas9, високоточна система редагування геному.

Передісторія. Уявімо кишкову паличку. У різних штамів цієї бактерії є різна кількість генів, але переважно їх 4200 – зовсім небагато. І з усім цим щастям паличка повинна вижити сама і ще й розмножитися. Зрозуміло, що вона ставиться до свого геному економно й абищо там не триматиме. Але у 1980-х роках під час розшифровування її геному вчені раптом знайшли, здавалося б, беззмістовну послідовність: мало того, що вона складалася з фрагментів ДНК, що повторювалися багато разів, так ще й нічого не кодувала.

Ці послідовності назвали CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами). У різних штамів бактерій ці послідовності відрізнялися. Що вони роблять, ніхто до кінця не розумів, але їх почали застосовувати як маркери: наприклад, компанія з виробництва ензимів і біопродуктів Danisco, щоб запобігти «крадіжці» цінних штамів молочнокислих бактерій для виготовлення закваски.

Прийшли 2000-і і вчені вирішили порівняти CRISPR-послідовності та вже наявні послідовності в ДНК-базах. Виявилося, що CRISPR схожі на геноми вірусів. Відкриття описали у кількох низькорангових журналах і ним ніхто не зацікавився. Тоді ж поруч з CRISPR-послідовностями виявили Cas-гени (Cas – CRISPR associated protein, або CRISPR-асоційований білок).

Група вчених зробила припущення, що білки групи Cas розпізнають вірус завдяки наборам CRISPR-спейсерів (унікальних послідовностей): як тільки РНК з CRISPR збігається з генним матеріалом вірусу, запускається «імунна реакція». Ба більше, у вже згадуваній компанії Danisco провели експеримент: у геном бактерії вбудували нову CRISPR – і вона стала стійкою до вірусу, геном якого повторювала ця CRISPR. Результати опублікували вже не абиде, а в журналі Science.

Проблема. Уся інформація про те, як функціонує наш організм, записана в генах. Літерами A, G, T, C позначають нуклеотиди, з яких складається ДНК. 6,4 млрд нуклеотидів – і навіть однієї помилки достатньо, щоб спричинити генетичне захворювання. Це і синдром Дауна, і серповидноклітинна анемія, і гемофілія, і рак, і ще дуже багато не таких відомих хвороб, спричинених мутаціями, які руйнують життя неймовірній кількості людей.

Ідея. У вчених виникла думка: чому б не боротися з генетичними хворобами, зігравши на випередження – змінюючи ДНК людини ще до народження? Серед групи білків Cas найбільш універсальним виявився Cas9. Для досягнення мети вирішили використати саме поєднання CRISPR і Cas9. І технологія не підвела.

Рішення. Експерименти з CRISPRCas9 успішно проводили на бактеріях та в умовах in vitro («у пробірці»), а у 2013 році технологія вийшла на новий рівень – CRISPRCas9 запрацював у клітинах еукаріотів (організмів, у чиїх клітинах є ядро – як у людей). А ще через два роки сталося те, що здавалося неможливим: китайські вчені опублікували статтю, де описали свій успішний експеримент з редагування геному людського ембріона. Їм вдалося виправити ген, який відповідав за бета-таласемію (синтез аномального гемоглобіну, що спричиняє анемію).

Якби ембріон вирішили розвивати далі, цілком могла б народитися здорова дитина. При цьому точність редагування була дуже низькою, наукова спільнота відреагувала неоднозначно. Але у 2016 році вчені з США звели вірогідність помилки редагування до нуля і всі визнали – тепер ми можемо змінювати геном людини. Це стало найбільшим науковим відкриттям останніх десятиліть. (Ми вже писали про те, які етичні проблеми ставить перед людством це відкриття.)

Технологія. Як працює CRISPRCas9? У живу клітину система потрапляє завдяки «упаковці» з нешкідливих вірусів, що дозволяють проходити крізь мембрани. ДНК людини – дволанцюгова спіраль, що складається нуклеотидів. РНК, що є в CRISPRCas9, називають «гідом» – місце, де має відбутися розрив (усього 20-30 нуклеотидів) вона впізнає завдяки комплементарності. Комплементарність – це здатність одних нуклеотидів (A, G) «впізнавати» інші (T, C) й утворювати з ними специфічні стійкі пари, що не дають «розплутатися» спіралі з двох ланцюгів ДНК.

За допомогою ферменту Cas9 зв’язки «розрізаються» і непотрібний фрагмент вилучається. Розрив відновлюється за рахунок природних процесів репарації ДНК під час поділу клітини (при диплоїдному наборі хромосом, коли в кожної є пара, яка підставить дружнє хромосомне плече допомоги) або ж правильний фрагмент ДНК вносять разом з системою CRISPRCas9 (при гаплоїдному наборі, коли кожна хромосома є тільки в одному екземплярі).

Що далі? Зараз різні системи CRISPRCas9 використовують у найрізноманітніших цілях: для затримки розвитку бокового аміотрофічного склерозу (хвороба, на яку страждав Стівен Хокінг), для лікування міодистрофії Дюшенна, раку, анемії та «очищення» від ВІЛу (елімінація – усунення вірусу з клітини). А завдяки CRISPR-Cas13 (з іншим білком групи Cas) учені навчилися «вимикати» гени.

За допомогою CRISPRCas9 відтворюють фільми, внутрішні органи свиней роблять придатними для трансплантації людині, диференційовані клітини перетворюють на стовбурові. Під дією технології «відредаговані» томати не потребують запилення для розмноження, а мурахи перестають реагувати на інших членів колонії, натомість обираючи самітне існування. Хоча до самого методу є багато запитань з етичної точки зору і називати його панацеєю ще рано, ми точно стали на поріг медичної революції та маємо шанс пересмислити усе людське існування.

Найцiкавiше на сайтi

Геній генів: як наука навчилась творити суперлюдей і чому це лякає саму науку

CRISPR Cas9 — це складна назва простої та дешевої технології редагування геному, яка кардинально змінила можливості молекулярної біології. Ця система дозволила вченим серйозно говорити про перемогу над раком, ВІЛ та вірусом Зіка, спадковими генетичними захворюваннями та малярією. Завдяки CRISPR Cas9 можна здійснити аграрну революцію або «запрограмувати» собі ідеальну дитину. Фактично ця технологія кинула людству виклик на наукових, етичних, соціальних та політичних фронтах. Platfor.ma спробувала розібратися, чого в ній більше: корисного чи небезпечного.

Ланцюг ДНК — як намисто, де структурні елементи, нуклеотиди, зібрані в унікальній послідовності. Це намисто пасує саме вам і визначає ваше життя. Коли в послідовності всі намистини складені правильно, організм працює добре. Але коли туди втручаються віруси або мутації, гармонійна послідовність руйнується і людина хворіє. Вчені з’ясували, що організмові боротися з вірусами допомагає dream-team: CRISPR та білки Cas9. Ці круті хлопці в парі можуть «вирізати» з геному частинки вірусу, зупинивши зовнішнє вторгнення в клітину.

CRISPR — це імунна система багатьох одноклітинних, яка рятує мікроорганізми від вірусів. Розшифровується як Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами). Це необхідно знати, тому що між повторами містяться важливі частини — спейсери (проміжки). Вони несуть інформацію про чужорідні елементи, які колись проникали в клітину або в її пращурів.

Тобто CRISPR — це такий собі колекціонер, в якого є знімки усіх вторгнень в клітину. Він також турбується про оновлення своєї колекції. А Cas9 — це вже справжній ювелір, який за допомогою знімків вишукує на 100% ідентичні послідовності та вирізає їх із ланцюга ДНК. Потім ланцюг відновлюється і заповнюється правильними комбінаціями нуклеотидів.

Емануель Шарпентьє

У 2012-му науковці Емануель Шарпентьє та Дженіфер Дудна запропонували самостійно програмувати РНК для колекції, щоб Cas9 впізнавав і видаляв саме ті ділянки гену, які потрібно науковцям. Приблизно тоді ж інші дослідники встановили, що така технологія може спрацювати не лише в бактеріях, а й у людському організмі. Коли ж стало відомо, що цей відносно недорогий та ефективний спосіб редагування геному дійсно працює, учені по всьому світові розпочали найрізноманітніші дослідження.

Dadbot: чат із батьком після смерті

Platfor.ma запускає спецтему «Ідеї». У ній ми будемо розповідати про інноваційні кейси з усього світу, які надихають і змінюють життя – такі, як чат-бот Dadbot, що дозволив синові спілкуватися з померлим батьком. Як це було зроблено і чи може кожен з нас створити свою діджитал-копію, що житиме вічно?

Передісторія. «Комп’ютер і людина – істоти різних видів», – сказав інженер комп’ютерного проекту Джозес Вейценбаум і у 1966 році створив першого у світі чат-бота «Елізу». Сам автор назвав її «пародією на психотерапевта». Метою була демонстрація проблем при створенні бази даних про реальний світ. Через кілька десятків років подібні боти стануть буденністю.

У 1982 році одинадцятирічний Джеймс Влахос просиджував з «Елізою» години. Бот настільки вразив хлопця, що через кілька років він освоїв мову програмування Basic, а будучи журналістом, продовжив слідкувати за індустрією і в 2015 році написав для The New York Times про Hello Barbie – нову версію відомої ляльки, що вміє говорити.

Hello Barbie була одним з проектів PullString – компанії, що створює голосові додатки, які максимально точно імітують людську мову. Після виходу іграшки компанія заявила, що не хоче обмежуватися розважальною індустрією й бізнесом і хотіла б надавати послуги з «увіковічнення» людей. Дуже скоро ця новина відіграє головну роль в сімейній історії Джеймса.

Перший у світі чат-бот «Еліза»

Проблема. У 2016 році Джеймс Влахос дізнався, що його батько помирає. Рак четвертої стадії без шансів на видужання, більше того – у Джона Джеймса Влахоса-старшого лишалося всього кілька місяців. Він був сином грецьких іммігрантів, виріс у містечку в Каліфорнії, закінчив економічний факультет і керував великою юридичною фірмою. Працював спортивним редактором, коментатором, очолював театральну трупу, володів чотирма мовами, був гідом-волонтером.

Джеймс вирішив, що батько дійсно гідний того, щоб лишитися у пам’яті, тому починає серію інтерв’ю з помираючим. Виходить 203 сторінки формату А4, 12 кегль – це і є життя Джона Джеймса Влахоса.

Ідея. Через кілька днів після постановки діагнозу Джеймс дізнається про те, що компанія PullString викладає свої цифрові інструменти у вільний доступ. У Джеймса відразу ж виникла, здавалося б, шалена ідея – перетворити спогади батька на чат-бота, з яким можна буде розмовляти після його смерті. Переживши моральні баталії, він розповів про задум родині. Після недовгих сумнівів вони погодилися.

Рішення. Тисячі слів, сказані Джоном Джеймсом Влахосом, були розбиті на окремі теми: «Греція», «Трейсі», «Окленд», «Навчання», «Кар’єра», «Пісні і жарти» і так далі. Після написання розгалуженого коду в PullString, підбору синонімічних фраз і тестування Dadbot запустили в месенджері Facebook. Влахос-старший власноруч протестував бота – помираючи, він розмовляв із цифровою копіює себе, що буде жити, поки існуватиме сервер у Сан-Франциско, на який його записали.

Історія Сьоко Асахари: як напівсліпець створив найвідомішу секту в історії

На початку липня в Японії стратили Сьоко Асахару – лідера «Аум Сінрікьо». Саме ця секта влаштувала один із найбільш відомих терактів в історії людства – у 1995 її адепти розпилили газ зарин в токійському метро. Platfor.ma розповідає історію маленької напівсліпої людини, яка створила власну таємну державу й стала монстром.

Тидзуо Мацумото народився в бідній та багатодітній родині виробника традиційних циновок татамі. Поки брати та сестри граються, маленький Тидзуо відвідує лікарню. Справа в тому, що дитина хворіє на глаукому і практично сліпа – бачить тільки одне око, але й те погано. Лікарі здаються маленькому Тидзуо чарівниками – розумні та спокійні, вони надихають його і стають його героями.

Тидзуо мріє стати лікарем, але поступити в медичну школу йому не вдається. Для бідного та напівсліпого підлітка, який вчився в спецшколі та підробляв тим, що був поводирем для повністю сліпих учнів, це було набагато складніше, ніж для інших. Проваливши іспити, Тидзуо вирішує, що наукове лікування – це не його покликання і починає самостійно вивчати традиційну китайську медицину та акупунктуру.

Наприкінці 1970-х Японія була захоплена модернізацією та науково-технічнім розвитком, проте молодий Мацумото повертається до архаїчного знання, яке не визнає екзаменів та ліцензій сучасного світу. На його щастя, не всіх приваблює науковий прогрес, і деякі японці вперто використовують замість аспірину жаб’ячий жир. Справи Тидзуо пішли вгору. Він одружився та відкрив власну аптеку, де продавав традиційні китайські ліки.

Однак у 1982 році до аптеки Тидзуо завітала державна комісія. Виявилось, що ліки в крамниці Мацумото – це підробка, а Тидзуо повинен мати ліцензію, якщо позиціонує себе як лікар. Самопроголошений медик повинен виплатити штраф у 200 000 йєн (у сучасному еквіваленті – 2 222 доларів США). Бізнес Тидзуо не витримує цього удару, і аптеку доводиться закрити.

Щоб сплатити штраф та прогодувати жінку й чотирьохрічну дитину, Мацумото починає працювати на різних роботах. Вільний час він витрачає на дослідження буддизму, індуїзму та даосизму, та відвідує необудійську секту Агон-Сю.

 

В 1984 Тидзуо Мацумото зникає. Після довгої психологічної кризи, викликаної судовим процесом та штрафом, Тидзуо змінює ім’я та прізвище, і починає розробку свого власного вчення. Замість невдахи Тидзуо з’являється новий гуру Сьоко Асахара. А в 1986 – і новий культ «Аум сінсен-но-кай» – «Спілка духовно розвинутих людей з надприродними здібностями». Спочатку справи в «Спілці суперменів» йдуть погано: новий культ не мав реєстрації, а послідовників так мало, що Асахарі доводиться власноруч роздавати листівки з запрошенням на зайняття йогою та лекції про лікарські трави.

Вертикальний ліс – штучні легені для планети

Передісторія. У студентські роки італійський архітектор Стефано Боері був учасником лівих молодіжних рухів і мало цікавився екологією, хоча його з дитинства надихало поєднання архітектури та спонтанної рослинності. Переїхавши з Мілана до Флоренції, Стефано увійшов до об’єднання Gruppo 9999. Його учасниками були молоді митці, які у своїх роботах осмислювали взаємодію людини й природи. Їхні настрої були радикальними, тому шляхи розійшлися, але Стефано згадав про ці ідеї за кілька років – під час подорожі до ОАЕ, а потім і до Китаю.  

Проблема. У XXI столітті Китай претендує на статус індустріальної наддержави – й однієї з найзабрудненіших країн світу. Для опису стану повітря у Піднебесній створили нове слово – «аероапокаліпсис». І цей смог впливає не тільки на саму країну, а й на сусідні Японію, КНР і КНДР, ба більше – навіть на перебіг глобального потепління.

В останні десятиліття заводи-гіганти й інші промислові об’єкти забезпечили Китаю не тільки швидке економічне зростання, а й низку екологічних проблем: смог у містах знижує видимість до 50 метрів, а його хмари, що прямують на Японію, помітні з космосу. За даними ВООЗ, рівень шкідливих речовин у повітрі подекуди в десятки разів перевищує норму.

Хоча ця проблема найбільш кричуща в Китаї, інших країн вона також стосується. У Європі забруднення повітря спричинює 500 000 передчасних смертей на рік. 8 років тому у Мілані кілька тижнів у повітрі тримався смог, а саме місто стабільно входить до найбільш забруднених в Італії.

Ще один фактор, який погіршує ситуацію, – висока температура повітря. Через сезонну спеку шкідливі домішки накопичуються та утримуються в приземному шарі повітря, яким дихають люди. Те, чи буде на вулицях пекельний жар або приємна прохолода, залежить від площі озеленення. Так, відповідно до досліджень в Києві у 2013-2015 роках найбільше нагріваються найменш зелені райони.

На фоні цих даних особливо насторожує тенденція до скорочення площі лісів на планеті: за даними ОНН, починаючи з 1990 року, їх стало менше на 3%.

Звісно, ліси й парки не можуть в одну мить зупинити появу нових міст і замінити собою промислові об’єкти, але нові підходи до озеленення міст можуть покращити ситуацію.

Ідея. Варто вбудовувати ліси в міста, переосмисливши взаємодію мегаполіса й природи – так вважає Стефано Боері. Його подорож до Китаю у 1979 році показала дійсний стан справ: країна неминуче рухалася до надзвичайно високого рівня забруднення, і ситуацію треба було змінювати.

Він знову звернувся до думки про єднання людини й природи заради чистої планети у 2007 році під час поїздки в Дубай, збудований всуціль зі скла та бетону. Боері загорівся ідеєю оживити міста, додати їм зелені. В 2008 році, проаналізувавши ситуацію в рідному Мілані, він презентував дослідження, де запропонував одне рішення кількох проблем – вертикальні ліси: не окремі будинки з садками на даху, а цілі міста нового покоління, де зелень органічно співіснує з бетоном. (До речі, ми вже писали, що в Україні кожен може почати з маленького міського городу).