Всяка година поне по няколко пъти чуваме предсказания за несъмнения край на планетата ни, а заедно с това и на човешката цивилизация. Хипотезите за унищожение на Земята включват падането на голям астероид, конфликт с извънземни нашественици, мощен природен катаклизъм, биологична или ядрена война на собствената ни планета и т.н.
Идеята, че човечеството целокупно може да приключи земния си път вследствие на собствения си стремеж да се усъвършенства биологично, някак оставаше в сянка досега. Трудно е да си представим, че уж „безобидни” експерименти в епруветка са в състояние да ни ликвидират като биологичен вид, но това може да се окаже и най-вероятната причина за унищожаването на Homo sapiens. Или поне такъв, какъвто го познаваме. И най-пресният пример за това е пандемията от Ковид-19.
Терминът „биотехнологии” е въведен през 1919 г., за да опише свързването на биологията и технологиите. Но биотехнологиите се прилагат в елементарна форма, откакто древните пивовари са започнали да използват култура от мая за производството на бира. През неолита в бита на хората са влезли редица растения и животни. В течение на хилядолетия селскостопанската технология търпи непрекъснато развитие - селектират се нови сортове и породи, но в хода на тази бавна еволюция, та чак до късните години на XX век хората следват стриктно повелята на Твореца - да не смесват видовете. След това обаче нещата сериозно се променят.
Откриване на структурата на ДНК
Пробивът, който лежи в основата на съвременните биотехнологии идва през 1953 г., когато Джеймс Уотсън и Франсис Крик откриват структурата на ДНК. След 1960 г. учените започват за използват радиация върху растенията, за да причиняват случайни мутации в генетичния код, надявайки се в най-добрия случай да манипулират растенията в желаната от тях насока. По-късно учените започват да експериментират с ДНК „инжекции” върху бактерии, растения и животни. Първото генетично модифицирано животно е родено през 1974 г. През 1980 г. е патентована бактерия, която яде петрол. Първата генетично модифицирана храна – доматити Flavr Savr, се появяват на пазара през 1994 г. Скоро следват и други растителни култури – като царевица, пшеница и т.н. Хората „с любов” ги наричат пластмасови култури.
Предходната година е завършен проектът по картографиране на човешкия геном. Днес генното инженерство е крайъгълният камък на биотехнологиите. Благодарение на него учените вече могат да кръстосват гени от произволни биологични видове. Това ни изправя пред безпрецедентни дискусии, касаещи технологичните, биологичните, моралните и правните аспекти около намесата в гените.
Но големият въпрос е защо го правят?
Когато бъркат в генома на растителните и животинските видове, корпорациите обикновено изразяват „загриженост” за прехраната на непрекъснато нарастващата човешка популация. Но не е задължително човек да е притежател на бакалавърска диплома по икономика, за да е наясно, че крайната цел на всяка корпорация е поддържане на финансовия й баланс в „добро здраве”. Проблемът с глада и недохранването стои в съвсем друга плоскост – всекидневно в света се унищожават колосални количества храна. Въпрос на преразпределение и политика.
Когато възнамеряват да бъркат в човешкия геном, учените обикновено изтъкват благородната идея да преборят едно или друго генетично заболяване. Но вероятно на мнозина им хрумва, че крайните цели са екстравагантните на пръв поглед намерения като създаване на „дизайнерски” бебета или удължаване на човешкия живот до библейски величини - като старозаветния персонаж Матусал, живял 969 години и умрял в годината на потопа (но не от него).
Вероятно нещата щяха да изглеждат далече по-приемливи, ако имахме повече информация за това, което се прави, и технологията не беше толкова нова и стресираща. На практика в момента ние се учим на нея. Не съществува нищо по-различно от хипотези и надежди относно крайния резултат на тези експерименти. Ще минат десетилетия, преди да разберем дали техниката е успешна и безопасна. Вероятността да станем свидетели на безпрецедентна хуманитарна криза не е за пренебрегване. И ако идеята на Бог е била сътворение, то човешката игра на богове може да завърши катастрофално.
В последните пет години научната общност интензивно експлоатира нов способ за манипулиране на гените. CRISPR е най-новият, най-ефективният и най-точен метод за редактиране на клетъчния геном. Той отваря безброй нови възможности, но същевременно изкарва на светло и стряскащи етични предизвикателства в областта на медицината, а в по-широк план – и за бъдещето на човечеството.
Като CRISPR медицинската общност обозначава системата CRISPR/Cas9. Биолозите биха използвали сложното съчетание от думи „бактериално получена РНК насочена ендонуклеаза”.
Биотехнологиите се използват за редактиране на гените. Кредит: flickr.com
ДНК ножици и безкрайната биологична война
Животът и еволюцията са изобретили метод за отстраняване на определени сегменти от ДНК на организмите. Използват се ДНК „ножици”, които срязват ДНК на местата, където е необходимо. Ножиците в случая са специфични белтъци (ензими).
CRISPR е съкращение на Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (групирани равномерно разпределени кратки палиндромни повторения) и е поредица от кратки повторения в бактериалната ДНК. Палиндромните повторения могат да се четат по един и същи начин отляво надясно или обратно. Например последователността ACCTAGGT и нейното допълнение в обратен ред TGGATCCA могат да се четат по този начин (A, C, G и T са буквите от азбуката на ДНК, с тях се обозначават градивните блокове аденин, цитозин, гуанин и тимин). Повторения с такова свойство се наричат палиндроми и се срещат и в живота – такива са думите „боб”, „поп” и „потоп”.
Но защо бактерии? Обяснението се крие в най-старата война на Земята – бактерии срещу вируси. Това е най-кръвопролитната битка, много по-кървава от „Игра на тронове”, ако я съпоставим с нейната версия в човешки размери. CRISPR всъщност е прокариотна (бактериална) имунна система, която помага на бактериите в борбата с чуждия генетичен материал на вирусите нашественици. Системата се състои от ДНК касети (всъщност CRISPR), образувани от повтарящи се участъци и разделени с уникални последователности – спейсъри. Спейсърите са „моментални снимки” на ДНК на вируси бактериофаги, които проникват вътре в бактериите и ги унищожават, ако не срещнат ефективна съпротива.
Ако нито един от спейсърите не съответства на някакъв фрагмент от ДНК на вирусите, бактерията е обречена. В противен случай спейсърът се прицелва към специфичен ген на бактериофага и указва на протеина Cas9 къде в молекулата на ДНК да направи разрез. Това е изключително важно: нарязаната ДНК на вируса нашественик означава живот за бактерията, защото срязването не позволява на вируса да се реплицира.
През 1987 г. Йошизуми Ишино и колеги в Университета в Осака публикуват последователността на гена IAP, принадлежащ на чревния микроб E. Coli. За да разберат по-добре как работи гена, учените секвенират (определят) също и ДНК около него. Това, което намират, е особен „генетичен сандвич”. Учените са озадачени над него през цялата година. Едва през 2002 г. Рууд Янсен от Университета в Утрехт в Холандия и екипът му нарекоха тези характерни последователности CRISPR, а придружаващата колекция от гени – Cas гени. По-късно, след изучаване на CRISPR и Cas гените в продължение на години, на Юджийн Кунин му хрумва идеята, че може би микробите ги използват като оръжие срещу вируси.
Атрактивната теория привлече вниманието на микробиолога Рудолф Барангу. Той решава да я тества за своя работодател – производителя на кисело мляко „Даниско”. Компанията е зависима от някои бактерии, за да превърне млякото в кисело мляко, но понякога цялата култура се губи заради вируси, които убиват бактериите. За да тества хипотезата на Кунин, Барангу и колегите му заразяват бактериите, ферментиращи млякото, с два щама вируси. Вирусите убиват повечето бактери, но някои оцеляват. Когато тези резистентни бактерии се възпроизвеждат, се оказва, че техните наследници също са резистентни – настъпили са някои генетични промени.
Защо методът CRISPR е толкова важен
CRISPR/Cas9 е нова технология за редактиране на гени. Функционира подобно на операциите Cut и Paste (изрежи и вмъкни) на програмите за редактиране на текст. Но в случая командата Undo (отмени) не е налична. С две думи: стореното – сторено. Обратен път назад няма.
Учените вече използват тази модерна технология като средство, за да променят организми, като създават революция в земеделието, откриват ново лечение на нелечими досега заболявания и дори за промяна на човешки ембриони. И макар биолозите всячески да се стремят да заобиколят етикета ГМО, по същество технологията създава именно генетично модифицирани организми.
CRISPR/Cas9 системата се състои от три компонента. Първият е ензимът Cas9, който функционира като клетъчен „скалпел” – той разрязва ДНК. Бактериите го използват, за да прекъснат и обезвредят генетичния код на нападащите ги вируси.
Другият компонент представлява насочваща РНК, която направлява „скалпела” точно към поредицата от нуклеотиди – химичните букви на ДНК (по същество това са градивните блокове на ДНК), които трябва да се изрежат. Когато достигне до местоназначението си, ензимът Cas9 изрязва нежеланата ДНК последователност. ДНК обаче не може да е фрагментирана. За да закърпи пробива, клетката вкарва в срязания участък третия компонент на системата – веригата нуклеотиди (матрична РНК), която е била доставена с пакета CRISPR. Поправката, наричана от биолозите репарация, възстановява двойната верига на ДНК. Клетката вече може да функционира нормално.
Счита се, че точността на метода е почти свръхестествена – учените могат да поставят синтетична заместваща част на което и да е място в геном, състоящ се от милиарди нуклеотиди (човешкият геном за сравнение се състои от около 6,5 милиарда нуклеотида). Въпреки това ензимът Cas9 може да се „подлъже” и да отреже подобна по структура последователност от нуклеотиди.
През 2005 г. стана ясно, че CRISPR е своеобразна имунна система на бактериите срещу вирусите, функционираща подобно на компютърните антивирусни програми. По-късно учените установиха, че методът на „естествено” редактиране на генома CRISPR работи не само при бактерии, но и в клетките на висшите организми, включително хората. На теория това е удобен и „естествен” начин за коригиране на живите организми чрез изрязване на ненужните части на генома и добавяне на нови. Така например, за да стане дадена бактерия устойчива към вирус, е достатъчно да се вмъкне спейсър с ДНК последователността на вируса в CRISPR-касетата на бактерията. Както казват учените – това е безплатен идеален ъпгрейд на имунната система на организма. Но никой засега не споменава за друг вариант – вмъкване на зловреден участък от ДНК на вирус в бактерия, който е способен да я направи изключително смъртоносна и неподатлива на никакви антибиотици. Лесно е да си представим какво би могло да се случи, ако обявената за „най-евтина” технология попадне в ръцете на биологични терористи.
През 2012 г. учени от Университета на Бъркли претвориха теорията на практика. Професорът по генетика в Калифорнийския университет Дженифър Дудна и Еманюел Шарпантие от Центъра за инфекциозни изследвания (Германия) изобретиха нова технология за редактиране на геноми CRISPR/Cas9. Учените намериха начин да получат неприродна CRISPR РНК и по този начин да принудят имунната система да изреже ДНК в участъците, които изследователите целенасочено са избрали. През януари 2013 г. същият екип отиде една крачка напред – те изрязаха определена част от ДНК в човешки клетки и я замениха с друга.
CRISPR-Cas9 система от Streptococcus thermophilus. Кредит: cell.com
Генетиката се оказа на прага на нова революция
Какво на практика означава това, освен факта, че технологията може да помогне на бактериите, свързани с млечната ферментация при производството на кисело мляко?
Технологията има потенциала да променя генетично организъм и дори цели биологични видове. И не само това! Да си представим ликвидиране на генетични заболявания като албинизъм или болестта на Алцхаймер. Фантазията ни може да ни отведе до възможността за генетично модифициране на бебета и забавяне и дори пълно премахване на стареенето. Отвъд твърде екстравагантните идеи CRISPR терапията може да се използва в няколко направления.
На първо място тя може да е инструмент за редактиране на гени. Учени от цял свят вече използват тази техника в редица проекти. Глобални научноизследователски и развойни фирми започнаха да използват CRISPR/Cas 9 за разработване на лекарства за лечение на редица животозастрашаващи заболявания като сърповидно-клетъчна анемия и рак. Например учени от Медицинския център на Колумбийския университет и Университета на Айова са използвали CRISPR за поправяне на генетична мутация, отговорна за пигментния ретинит (retinitis pigmentosa) — наследствено заболяване, което причинява разграждане на ретината и води до слепота при около 1,5 милиона души в световен мащаб.
CRISPR терапията също така е механизъм за включване и изключване на гени. През 2013 г. изследователят Стенли Ки от Станфордския университет намери начин да „обърка” работата на ДНК ножиците, като ги „притъпява” и така създава „мъртва” версия на Cas9, която въобще не може да реже. Екипът му е разработил начин за използване на „притъпения” ензим, за да превключва гени на разстояние. Техниката се използва за скрийнинг на гени в човешки клетки, които трябва бързо да растат или пък да се справят с бактериални токсини. Вместо точен и гъвкав набор от ножици, които могат да изрежат всеки ген, който искаме, разполагаме с точна и гъвкава система за доставка, която може да контролира всеки ген, който пожелаем. При това имаме не просто редактор, а малък субект, който можем да контролираме отвън. Гениално и плашещо в същото време.
Технологията може също така да е инструмент за лечение на болестта на Хънтингтън. Скорошен научен пробив е използването на CRISPR, образуван от бактерия в устата, която е способна да разгражда РНК (РНК играе съществена роля в трансформирането на гените в белтъци). РНК версията на CRISPR е разработена от изследователи в Масачузетския технологичен институт. Основава се на определен ензим, известен като C2c2, който помага на бактерите да се защитават от други микроорганизми като вирусите.
Чрез манипулиране на РНК изследователите могат да повлияят на генната активност, както и на производството на белтъци в тялото. Това на практика дава възможност да се преобърне процесът, дори да се включва или изключва, без това да повлияе на генетичния код, съхраняван в ДНК. На практика това позволява да се разработят по-добри форми на лечение, които да се насочат към определени злокачествени заболявания в организма като например болестта на Хънтингтън — дегенеративно генетично заболяване, което засяга мускулната координация и води до психични проблеми. Хънтингтън обикновено се забелязва, когато човек е в средната възраст, а продължителността на живота е около 20 години след появата на първите симптоми.
И не на последно място – тази нова технология е едно съвършено оръжие срещу рака. Обяснено просто – злокачествените тумори се появяват, когато клетките отказват да умрат и продължават да се мултиплицират на различни места в тялото, успешно укривайки се от имунната ни система. С помощта на CRISPR ще имаме шанс да редактираме клетките на имунната система и да ги усъвършенстваме в борбата им с раковите клетки. Това би им помогнало да убият злонамерените клетки. В бъдеще, за да се отървам от рака, вероятно ще е напълно достатъчна една инжекция — точно както сега се справяме със заушката, която е била смъртоносна за децата през миналите столетия.
След като опитали традиционните методи за лечение на рак като химиотерапия и костно-мозъчни трансплантации, лекари решили да използват технологията за редактиране на гени в последен опит да спасят момиче, страдащо от лимфобластна левкемия (рак на кръвта, срещащ се най-често в детска възраст). Учените променили Т-клетките от имунната ситема на донора, за да могат те по-ефективно да локализират и убиват раковите клетки, но без да атакуват организма на пациента. Всъщност методът не бил точно CRISPR, но във всеки случай се оказал огромен успех.
Биотехнологиите сложиха началото на нова ера
Това са само няколко примера за необятните възможности на метода CRISPR. Със сигурност той вече е поставил началото на нова ера в редактирането на гени и медицината като цяло. Въпреки това пред човечеството стоят за разрешаване огромни етични дилеми. Лечението на смъртоносни заболявания е едната страна на въпроса. От другата стоят проблеми като неизбежната поява на дизайнерски бебета и изобретяването на методи за отлагане на стареенето.
Ако пълното ликвидиране на маларията, възможният край на рака и лечението на смъртоносни генетични заболявания са най-вероятните сценарии, които можем да очакваме в обозримо бъдеще, то докъде да очакваме да ни заведе фантазията ни? Съвършени хора? Вечна младост и красота? Да живеем по няколко века?
Отваряйки вратата за редактиране на генома всичко това става възможно. Но в същото време пред нас стои огромната отговорност да не отворим кутията на Пандора и да не позволим създаването на различни чудовища. Последното, от което се нуждае цивилизацията ни, е Франкенщайн – съвсем истински (от плът и кръв), с непредвидим нрав и не съвсем ясни способности.
Редактирането на генома обаче не се появи за една нощ
Елик Меслин, директор на Центъра по биоетика към Университета в Индиана припомня, че за манипулации върху генома се говори от близо 40 години. Имаше стъпки като клониране на овцата Доли, умрели пациенти при лечение с генна терапия, дебатът за стволовите клетки след 2000 година… Етичните въпроси съвсем не започват с CRISPR. Но сега за първи път сме изправени пред реалната възможност новите технологии да разрушат света на научните изследвания и медицината, каквито ги познаваме. Затова е важно в тази дискусия да участват всички – политици, социолози, учени, теолози и обикновени граждани.
Не бива да се забравя все пак, че бурно развиващата се технология за редактиране на генома поставя човечеството на пътя на отглеждането на различни породи хора: от създаването на деца с подобрени характеристики за тези, които могат да си го позволят, до елиминирането на човешка популация с определени характеристики. Някои учени вече виждат бъдещето в не толкова розови нюанси: задължително условие за „новия подвид хора“ ще бъде ограниченото самосъзнание (чрез разработваните технологии за промяна на поведенческите настройки), минимизиране на разходите за неговата поддръжка (чрез евтината храна), а самата популация не бива да излиза извън рамките на целесъобразността (чрез управление на размножаването). Не ви ли изглежда някак познато? Съвременните тенденции в образованието, ГМО продуктите и технологиите и абортите съвсем успешно се вписват в тази картина.
Източници:
The Heroes of CRISPR, Eric S. Lander, Cell
James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins, and Rosalind Franklin, Science History Institute
Methuselah, Britannica
Development and Applications of CRISPR-Cas9 for Genome Engineering, NCBI
CRISPR, Wikipedia
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари