Редактиране на генома с CRISPR

С одомашняването на животни и растения човекът е започнал да манипулира техния генетичен материал, без дори да подозира за съществуването му. Първите стъпки към разгадаването на генома са направени в средата на 19-ти век, когато за първи път е изолирана ДНК, а Мендел формулира основните закони на наследствеността. По-малко от 20 години след откриването на структурата на ДНК през 1953 г. се полагат основите на съвременните биотехнологии с успешното приложение в лабораторни условия на рестриктази – ензими, режещи генетичния материал. Оттогава са въведени множество различни методи за манипулирането на генома.

Въпреки че човечеството употребява биотехнологични продукти от хиляди години, в последните няколко десетилетия са направени редица открития, позволяващи прехода от прости ферментационни процеси до производството на животоподдържащи медикаменти и генна терапия на някои наследствени заболявания. Последният революционен скок в способността ни да променяме света около нас е CRISPR/Cas (или просто CRISPR; произнася се „криспър“) – инструмент, който позволява бързо, достъпно и прецизно редактиране на генома.

Както повечето инструменти в арсенала на съвременните биотехнологии, CRISPR е заимстван от процеси, протичащи в бактерийните клетки. Това е механизъм, позволяващ на бактериите да се предпазят от вирусни атаки, състоящ се от две части – уникален отпечатък на вируса (закодиран в CRISPR) и ензим (Cas), имащ способността да реже двете вериги на ДНК. При нападение от познат вирус бактериите използват този отпечатък, за да насочат Cas към генетичния му материал. Веднъж нарязан, той се инактивира и вирусната атака се предотвратява.

Въпреки че CRISPR регионите са описани в края на 80-те, те остават мистерия през следващите 20 години. Малко след разгадаването на пълния механизъм, по който работи тази система, в нея е разпознат елегантен и гъвкав метод, даващ възможност за насочено редактиране на генома на всеки организъм. Въпреки че има и други методи от по-ново поколение, той предлага редица предимства: изисква се само синтез на малка насочваща РНК молекула, позволява едновременно редактиране на няколко места в генома и е възможна директната терапия без използване на ембрионални стволови клетки. Това го прави изключително достъпен от гледна точка на цена, набор от необходимо оборудване и време за постигане на поставената цел.

Тази достъпност даде допълнителен тласък и на движението на биохакерите – ентусиасти, които оборудват собствени лаборатории, за да прилагат различни биотехнологични похвати. На пазара се предлагат няколко комплекта за редакция с CRISPR, като цената на един от тях е $159 и в него са включени всички необходими реактиви и инструменти за експеримента.

Технологията бързо се наложи като един от основните методи за редактиране на генома и за последните пет години има множество пробиви в някои от основните области на биологическите науки. В медицината все още се работи предимно с моделни организми, които позволяват пълното проследяване на генетичната редакция, но методът се прилага и при човешки ембриони и линии клетки, при които успешно е забавено развитието на различни видове рак, създадени са клетки, устойчиви на ХИВ, обърнат е ходът на болестта на Хънтингтън и др.

Особено подходящи за геномно редактиране са хилядите заболявания, причинени от единични гени. Пример за това е отстраняването на мутация, причиняваща хипертрофична кардиомиопатия, чрез заместване на дефектния ген с работещо копие. Успешно е нарушена и функцията на ген в чернодробните клетки, отговорен за натрупването на „лош“ холестерол в организма. Екипът, работещ по този проект, смята, че в рамките на 20 години е възможно да има своеобразна ваксина против сърдечни заболявания. Възможна е намеса и при заболявания с по-сложен характер, като мускулната дистрофия. При възрастни мишки, страдащи от това заболяване, е приложена генна терапия, която значително е подобрила мускулния им тонус.

Методът намира приложение и извън терапията на заболявания. Една от пречките за трансплантирането на свински органи в хора са ендогенните ретровируси, които се срещат в генома на прасето. Макар да се смята, че са инактивирани от мутации и не са патогенни, те могат да имат негативни ефекти върху човешкия организъм. За преодоляването на този проблем е използван CRISPR за изрязването на всички тези вируси от свинския геном, като прасенцата, получени след редактирането, са напълно жизнени. Този успех дава възможност и за по-смели решения – редактиране на свинския геном с цел премахване на имунната несъвместимост между двата организма, така че получените животни да не отхвърлят човешките тъкани. Вече има публикации за хибриди между прасе и човек, като надеждата е в бъдеще те да бъдат използвани като инкубатори, в които да се отглеждат органи специално за всеки пациент.

Друго многообещаващо приложение е в борбата със заболяванията, които се предават на хората от насекоми – например маларията, на която някои източници приписват смъртта на половината от хората, живели някога. В редица страни е въведено разпръскването на модифицирани комари, носещи летални гени, с цел плавното намаляване на популацията им. Въпреки че този подход е успешен, все още се води дискусия за отражението му върху екологичния баланс. Нов подход е създаването на комари, в които са вмъкнати както гени, придаващи им устойчивост към паразита, причиняващ малария, така и CRISPR/Cas система. Веднъж предадена в поколението, тя се активира и редактира генома му, правейки почти цялото потомство носител на гените за устойчивост. Освен за превенция от малария, сходен подход може да се използва и за други заболявания, причинени от комари, като зика, денга и др.

Прецизното редактиране на генома представлява огромен интерес и за биотехнолозите, работещи в сферата на земеделието. Създаването на нови сортове и породи е сложен процес, който може да отнеме десетки години и в известна степен разчита на случайността за получаване на нужните характеристики в новите растения. Възможността за директна намеса може да скъси драстично това време и да даде на учените строг контрол върху случващото се в растенията. Вече има редица култури с подобрени агрономически показатели – ориз, пшеница, портокали, домати и др., устойчиви на патогени; царевица, издържаща на суша; домати с повишен добив. Освен за фермерите, ползи има и за околната среда, тъй като се използват по-малко ресурси за добиването на продукцията, а и се намалява употребата на пестициди.

Ползи има и за крайния потребител, тъй като активно се работи върху подобряването на хранителната стойност и качеството на продуктите. Едно от особено интересните постижения в това направление е получаването на пшеница с 85% по-ниско глутеново съдържание. С подобрени хранителни качества е и оризът с повишено съдържание на амилоза, която е бавноосвобождаващ се въглехидратен източник, намаляващ пиковете в кръвната захар. Въпреки че ефектът е по-скоро естетичен, един от интересните случаи са печурките, които не покафеняват, след като бъдат нарязани – една от първите култури, създадени с CRISPR, която няма да подлежи на регулация в САЩ.

Активна изследователска дейност има и с животни. В началото на миналата година бе съобщено за прасета, устойчиви на вирусното заболяване PRRS, загубите от което могат да достигнат половин милиард долара годишно. Клетките им са показали устойчивост към вирусната атака, като същевременно според учените животните са напълно здрави и не се отличават от „обикновените“ си роднини. Козите също са обект на интерес – в Китай вече има екземпляри с по-дълга козина, както и с увеличена мускулна маса. Факт са и първите кучета от порода „Бигъл“, при които с помощта на CRISPR е увеличена двойно мускулната маса. Въпреки че и сегашните породи са резултат на генетична манипулация (в ролята на насочената селекция), вече се води дискусия доколко е етично приложението на този метод.

Използването на подобен инструмент доскоро звучеше като утопична фантазия. Но за петте години, в които се работи активно с него, са постигнати редица впечатляващи успехи. За тях ще се чува все по-често и подобно на приземяващите се ракети на SpaceX, те ще престанат да бъдат повод за сериозна изненада. Все още има пречки от техническо и правно естество за широкото приложение на CRISPR, но те се преодоляват с бързи темпове.

И за да е съвсем като в научната фантастика, освен да се възползваме от предимствата на научните постижения, ще се наложи да решаваме и сложни етични казуси, които ще разгледаме в следващата част.

Към част втора >>