Квітень 2014-го. США. Група дослідників з Массачусетського технологічного університету отримує патент на новітню технологію редагування геному ссавців. Здається, ця технологія принесе шалені зиски. Вже за кілька місяців стартапи, що отримали права на її комерційне застосування, залучили мільйонні інвестиції. Але видача патенту викликає обурення у фахівців Каліфорнійського університету. Там стверджують, що ще у 2012 році подавали таку ж заявку, але Відомство США з патентних і товарних знаків так її і не розглянуло. А конкуренти грали нечесно — вони подали 12 аналогічних заявок і заплатили за терміновий розгляд кожної. Розгорається один з найбільших патентних скандалів в історії США.
Грудень 2019-го. Китай. Суд виносить вирок Хе Цзянькуй, біологу з Шеньчженя: 3 роки позбавлення волі та штраф у 3 млн юанів. У 2018-му Цзянькуй доповів на міжнародній конференції про те, що успішно відредагував геном людського ембріону. З заплідненої яйцеклітини, з якою вчений проводив маніпуляції, народилися дівчатка-близнята: Лулу і Нана. Абсолютно здорові. Більш того, завдяки генетичному втручанню їм не страшний ВІЛ.
Міжнародна спільнота звинуватила владу Китаю у експериментах над людьми. Партійним функціонерам довелося виправдовуватися — вони заявили, що Хе Цзянькуй діяв на власний розсуд і засудили його до ув’язнення. Хоча колеги Хе Цзянькуй стверджують, що дослідник мав усі необхідні дозволи.
Жовтень 2020-го. Україна. Максим Степанов, міністр охорони здоров’я, звітує: Україна побила черговий рекорд. За добу проведено більш ніж 32 тис. тестів на коронавірус методом ПЛР. Але українці до слів міністра-рекордсмена ставляться скептично. У державних лабораторіях безкоштовні тести роблять лише людям з підозрою на COVID. І чекати результат треба щонайменше тиждень. У приватних цей аналіз зроблять за день, але треба займати чергу з самого ранку і заплатити від 1 тис. грн.
Що спільного між трьома описаними вище подіями? Те, що вони стали можливі завдяки винаходу нобелівських лауреатів з хімії цього року — Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Дудна, які розробили легкий і зручний спосіб редагування геному, так звану систему CRISPR/Cas.
Шпильки та пухирі
Щоб зрозуміти, що це, прочитайте наступний абзац, намагаючись відганяти думку про те, що редакція Chas News збожеволіла.
ЯНУКОВИЧ ВИВЧИВ ОКУНЯ. Як тільки у 1953 році вчені розшифрували структуру ДНК і з’ясували, що це подвійна спіраль, одразу виникло питання, — як можна її розрізати, щоби видалити одну частину і на її місце вставити іншу? ЯНУКОВИЧ ВИВЧИВ ОКУНЯ. І ЩО САЛО? ЛАСОЩІ. Наприклад, щоб видалити з хромосоми людини пошкоджений ген, який викликає смертельну хворобу, та замінити його нормальним. Або вставити у ДНК культурної рослини гени, які зроблять її нечутливими до шкідників. Це вдалося зробити ще у 70-ті роки. Але редагування геному було вкрай марудною справою. У кожному випадку доводилося синтезувати унікальний білок, який пасував до конкретного місця у конкретній ДНК, як ключ до замка. І ЩО САЛО? ЛАСОЩІ. ВОР АЗАРОВ. Це займало роки. Тому на практиці генетичну інженерію використовували переважно для виведення модифікованих сільгоспкультур, продаж насіння яких приносив чималий прибуток. ВОР АЗАРОВ. А БАБА НА ВОЛІ — ЦІЛОВАНА БАБА.
Але у 2005 році вчені зауважили цікаву особливість геному бактерій. Частина їхнього генетичного матеріалу виглядає приблизно як цей текст. Ділянки, які мають зміст, чередують з так званими паліндромами — безсенсовними частинами коду, котрі читаються однаково в обох напрямках. А БАБА НА ВОЛІ — ЦІЛОВАНА БАБА.
Якщо цей текст роздрукувати і скласти так, щоби паліндроми знаходилися один біля одного, отримаємо кілька «шпильок», від яких будуть відходити «пухирі» з осмисленими реченнями. Таку структуру генома назвали «кластеризовані регулярно взаєморозміщені короткі паліндромні повтори», англійською clustered regularly interspaced short palindromic repeats, скорочено — CRISPR.
Генетичний код, з якого складаються «пухирі», належить не бактеріям, а їхнім ворогам — вірусам, які розмножуються у бактеріях, — бактеріофагам. CRISPR-послідовності відіграють роль імунної системи у бактерій. Якщо мікроорганізму вдалося вижити після зустрічі з вірусом, він включає його генетичний матеріал у свої гени, накопичує своєрідну «базу даних» з геномом вірусів. Більш того, при контакті бактерії обмінюються своїми «базами».
Зі шкільної програми ми пам’ятаємо, що існують два типи нуклеїнових кислот — ДНК (в ній зберігається генетична інформація) та РНК (дуже спрощуючи, посередник між ДНК та білком). Вони відрізняються за хімічним складом, але переносять одну і ту ж генетичну інформацію.
Коли у бактерію потрапляє вірус, мікроорганізм швидко утворює РНК-копії ДНК з «пухирів». Вони здатні «приклеюватися» до відповідних їм ділянок вірусу. Потім спеціальні білки відшукують ці, приєднані до генів вірусу, послідовності, прикріпляються до них і шматують геном вірусу на дрібні частини. Атаку відбито!
Такі білки назвали «асоційованими з CRISPR», — CRISPR associated, скорочено Cas.
Тобто загадкова абревіатура «CRISPR/Cas система», за винахід якої дали Нобелівську премію, — це частина геному бактерії у вигляді шпильок та «пухирів» та потрібні для її роботи білки.
Зустріч у Пуерто-Ріко
Старт цієї революції нагадує фільми про перегони з Він Дізелем, які починаються у Пуерто-Ріко. У цій країні і познайомилися Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Дудна. У обох були проблеми у роботі.
Шарпентьє за фахом мікробіолог. Вона все життя досліджувала патогенні мікроорганізми. Спочатку у рідному інституті Пастера в Парижі, потім у Берліні та Швеції. У 2011 році француженка намагалася знайти новий антибіотик проти стрептококів — бактерій, які викликають запальні захворювання, — від отиту до сепсису. Досліджуючи CRISPR/Cas-систему цих бактерій, вона знайшла новий тип РНК, — так звану trans-acting РНК (track-РНК). Вона вироблялася у віддалених від CRISPR частинах геному, але відігравала роль у механізмах бактеріального імунітету. Єдине, чого Шарпентьє не розуміла, — яку саме роль.
Дженніфер Дудна працювала у Каліфорнійському університеті і також цікавилася CRISPR-системами. Намагалася відтворити їхню дію у пробірці. Але нічого не виходило. Дудна почала сумніватися — чи справді вони виконують функції бактеріального імунітету? Чи, може, потрібні для чогось іншого?
Шарпентьє і Дудна зустрілися на конференції у Пуерто-Ріко. Дудна знала про роботи французької колеги і запросила її у кафе. Саме там вони прийшли до висновку, що їм потрібно далі йти разом. Пізніше Шарпентьє в одному із інтерв’ю опише цю зустріч словами Луї Пастера: «Шанс сприяє підготовленому розуму».
Хоч дослідниці фізично знаходилися у протилежних частинах світу, за допомогою відеоконференцій вони розробили експеримент, у ході якого додали track-РНК до CRISPR/Cas-системи. Це спрацювало. Cas-білок розрізав геном вірусу.
Далі дослідниць чекало найбільш дивовижне. Експерименти показали, що трохи модифіковані CRISPR/Cas-системи здатні розпізнавати будь-який генетичний код, не тільки вірусів. Шарпентьє і Дудна винайшли генетичні ножиці — універсальний інструмент, який дозволяє розрізати будь-яку молекулу ДНК у потрібному місці.
COVID, рак і соковиті стейки
Далі з геномом можна робити що завгодно. До прикладу, розрізати ДНК у двох місцях і вирізати проблемну ділянку. У випадках багатьох хвороб цього достатньо, щоб усунути їхню причину. Саме так Хе Цзянькуй, про якого йшлося на початку статті, модифікував близнят — він «вимкнув» для ВІЛ можливість потрапити до імунної системи.
Або додати у геном живої істоти новий ген. За допомогою такої технології створюють нові рослини та тварин. Чи, наприклад, перетворюють з’єднувальну тканину у м’язи, що у майбутньому дасть можливість позбавити людину, яка перенесла інфаркт, рубців на серці.
Активно використовують винахід Шарпентьє і Дудна і для діагностики хвороб. ПЛР-тести для визначення COVID працюють на принципах CRISPR/Cas-систем.
Звичайно, у CRISPR/Cas-систем є і недоліки. Найбільш суттєвий — вони іноді помиляються і розрізають ДНК не там, де треба. Саме тому міжнародна спільнота так обурилася експериментом Хе Цзянькуй. Нема ніякої гарантії, що під час модифікації дослідник не пошкодив інших генів близняток. Втім, про подальшу долю Лулу та Нана достеменно невідомо.
Але все ж таки переваг у CRISPR/Cas-систем набагато більше, ніж недоліків. Тому в 2013 році, після того як Шарпентьє і Дудна опублікували результати своїх дослідів, у світі почалася CRISPR-лихоманка. Триває вона і зараз. По світу вже ростуть десятки модифікованих за методом Шарпентьє і Дудна сортів рослин, ходять бички, що набирають вагу вдвічі швидше за «натуральних» родичів. А молоді дослідники репетирують майбутні промови на церемонії вручення Нобелівської премії — за перемогу над раком. Хоч і вимушені поки що знищувати людські клітини, над якими проводили дослідження.
А от з бізнесом у Шарпентьє і Дудна склалося не так добре, як з наукою. Як ми вже розповідали, патент на комерційне використання технології отримали не вони, а група вчених з Массачусетського технологічного університету, яка перша застосувала CRISPR/Cas-системи для модифікації геному ссавців. Судова тяганина тривала три роки. У 2017-му суд виніс соломонове рішення — права на використання методу для ссавців залишалися у людей, які отримали перший патент. Натомість Каліфорнійському університету дали новий патент — на право використання технології для модифікування будь-яких істот. Єдина проблема — за ці три роки конкуренти встигли надати велику кількість ліцензій. Але гроші у житті не головне. Для науковця, який відкрив перед людством фантастичні перспективи, — й поготів.
