Od swojego powstania cztery dekady temu inżynieria genetyczna stała się źródłem wielkiej nadziei w opiece zdrowotnej, rolnictwie i przemyśle. Ale wywołało to również głębokie zaniepokojenie, nie tylko ze względu na pracochłonność procesu edycji genomu. Teraz nowa technika, CRISPR-Cas, oferuje zarówno precyzję, jak i możliwość zmiany tekstu genomu w wielu lokalizacjach jednocześnie. Ale to nie usunęło powodu do niepokoju.
Genom można postrzegać jako rodzaj ścieżki dźwiękowej. W ten sam sposób, w jaki nuty mówią muzykom w orkiestrze, kiedy i jak grać, genom mówi składowym częściom komórki (zwykle białkom), co mają robić. W partyturze mogą znaleźć się także notatki kompozytora, wskazujące na ewentualne zmiany, ekscesy, które w zależności od przypadku można dodać lub wykluczyć. W przypadku genomu takie „notatki” powstają w wyniku życia komórek przez wiele pokoleń w stale zmieniającym się środowisku.
Program genetyczny DNA jest podobny do kruchej książki: kolejność jej stron może się zmienić, a niektóre nawet przejść do programu innych komórek. Jeśli strona jest, powiedzmy, laminowana, jest mniej podatna na uszkodzenia podczas przewracania. Podobnie elementy programu genetycznego, chronione mocną powłoką, są w stanie lepiej przenikać do różnych komórek, a następnie rozmnażać się w miarę podziału komórki.
Następnie pierwiastek ten staje się szybko rozprzestrzeniającym się wirusem. Następnym krokiem jest komórka, która rozmnaża wirusa - bezużytecznego lub szkodliwego - aby opracować sposób na jego przeciwdziałanie. I w ten sposób po raz pierwszy pojawił się proces CRISPR-Cas, mający na celu ochronę bakterii przed atakującymi wirusami.
Ten proces umożliwia dziedziczenie nabytych właściwości. Podczas pierwszej infekcji na wyspę genomową CRISPR (dodatkowy fragment genomu, poza tekstem genomu rodzicielskiego) kopiowany jest niewielki fragment genomu wirusa - rodzaj sygnatury. W rezultacie pamięć o infekcji utrzymuje się przez pokolenia. Kiedy potomek komórki zostanie zainfekowany wirusem, sekwencja zostanie porównana z genomem wirusa. Jeśli podobny wirus zainfekował rodzica komórki, potomek go rozpozna, a specjalne mechanizmy go zniszczą.
Naukowcom ten złożony proces rozszyfrowywania trwał wiele dziesięcioleci, między innymi dlatego, że zaprzeczał standardowym teoriom ewolucji. Jednak do tej pory naukowcy odkryli, jak odtworzyć ten proces, umożliwiając ludziom edycję określonych genomów z najwyższą precyzją - praktycznie święty Graal inżynierii genetycznej od prawie 50 lat.
Oznacza to, że naukowcy mogą używać mechanizmu CRISPR-Cas do naprawiania problemów w genomie - odpowiednika błędów w pisaniu w tekście. Na przykład w przypadku raka chcielibyśmy zniszczyć te geny, które umożliwiają namnażanie się komórek nowotworowych. Jesteśmy również zainteresowani wprowadzeniem genów do komórek, które nigdy ich nie otrzymały w drodze naturalnej transmisji genetycznej.
Nie ma nic nowego do tych celów. Ale dzięki CRISPR-Cas jesteśmy znacznie lepiej przygotowani, aby je osiągnąć. Wcześniejsze metody pozostawiły ślady w zmodyfikowanych genomach, przyczyniając się na przykład do oporności na antybiotyki. Natomiast mutacja wytworzona przez CRISPR-Cas nie różni się od mutacji, która powstała spontanicznie. Dlatego amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków orzekła, że takie składniki nie powinny być oznaczane jako organizmy modyfikowane genetycznie.
Film promocyjny:
Jeśli trzeba było zmodyfikować kilka genów, poprzednie metody były szczególnie trudne, ponieważ proces musiał być wykonywany sekwencyjnie. Dzięki CRISPR-Cas możliwość jednoczesnego wykonywania modyfikacji genomu pozwoliła na powstanie grzybów i jabłek, które w kontakcie z powietrzem nie utleniają się ani nie brązowieją - efekt wymagający jednoczesnej dezaktywacji kilku genów. Te jabłka są już na rynku i nie są uważane za organizmy modyfikowane genetycznie.
Inne aplikacje są w trakcie opracowywania. Tak zwana procedura generowania genów w celu manipulacji genomem może zmniejszyć szkody wyrządzane przez owady przenoszące choroby. Ukierunkowana modyfikacja gamet u komarów - najbardziej śmiercionośnych dla ludzi na świecie - uniemożliwiłaby im przenoszenie wirusa lub pasożyta.
Ale do korzystania z CRISPR-Cas należy podchodzić z ostrożnością. Chociaż technologia ta może okazać się dobrodziejstwem w walce z wieloma śmiertelnymi chorobami, niesie ze sobą również poważne i potencjalnie całkowicie nieprzewidywalne zagrożenia. Po pierwsze, ponieważ genomy rozmnażają się i rozprzestrzeniają poprzez rozmnażanie, modyfikacja całej populacji będzie wymagała modyfikacji jedynie ograniczonej liczby osobników, zwłaszcza jeśli cykl życiowy organizmu jest krótki.
Ponadto, biorąc pod uwagę wszechobecność hybrydyzacji między sąsiednimi gatunkami, możliwe jest, że modyfikacja jednego gatunku komara będzie również stopniowo iw niekontrolowany sposób rozprzestrzeniać się na inne gatunki. Analiza genomów zwierząt pokazuje, że takie zdarzenia miały miejsce w przeszłości, kiedy gatunki były chwytane przez elementy genetyczne, które mogą wpływać na równowagę ekosystemów i ewolucję gatunków (chociaż nie można powiedzieć, jak). A jeśli zmiana populacji komarów jest niebezpieczna, nie wiadomo, co mogłoby się stać, gdybyśmy zmodyfikowali ludzkie komórki - w szczególności komórki rozrodcze - bez dokładnej analizy.
Technologia CRISPR-Cas jest gotowa do zmiany świata. Obecnie głównym wyzwaniem jest zapewnienie, że te zmiany będą działać.
Antoine Danchin