CRISPR – biotehnologija prihodnosti

    Ne zgodi se pogosto, da bi dve najprestižnejši znanstveni reviji, Nature in Science, hkrati zavrnili objavo rezultatov odmevne raziskave, pri čemer bi za svojo odločitev navajali zgolj etične pomisleke. V začetku aprila 2015 so kitajski znanstveniki javnost obvestili, da jim je uspelo s posebno novo tehniko za urejanje genov spremeniti genetski zapis v človeških zarodkih, tako da niso bili več nosilci težke dedne krvne bolezni, imenovane beta talasemija. V raziskavi, ki jo je odobrila kitajska etična komisija, jim je uspelo okvarjeni gen v zarodkih popraviti do te mere, da ni več povzročal težav.

    Ker je šlo pri raziskavi za neposredno spreminjanje genetskega zapisa v človeških zarodkih, čeprav takšnih, ki so bili tako spremenjeni, da se ne bi mogli razviti v človeško bitje, je bil to za vodilni znanstveni reviji dovolj tehten razlog, da sta zavrnili objavo. Izsledki raziskovalcev, ki so sicer poročali o tem, da nova tehnologija vsaj pri aplikaciji na človeških zarodkih še zdaleč ni zelo uspešna in ni niti blizu kakršnekoli praktične uporabe, so bili nato objavljeni v reviji Protein and Cell.

    Bolj kot konkreten zaplet zaradi kršenja načelnega stališča raziskovalcev s področja genetike, da se vsaj zaenkrat v genetski zapis človeških zarodkov ne posega oziroma se ga ne spreminja, saj bi to pomenilo nepredvidljive posledice za potomce, če bi se (genetsko spremenjeni) zarodek dejansko razvil v človeško bitje, je širše zanimiva nova tehnika, ki so jo uporabili kitajski znanstveniki. Mnogi jo namreč razglašajo za eno najpomembnejših znanstvenih odkritij zadnjih desetletij, ki bo pomembno vplivalo na vse znanosti o življenju.

    Kako se bakterije bojujejo proti virusom

    Leta 1987 so japonski znanstveniki z Univerze v Osaki poročali, da so v bakteriji E.coli zaznali nekaj čudnega. Našli so nenavaden del bakterijske DNK, v katerem je bilo pet ponovitev istega zaporedja 29 nukleotidov, med katere so bili vrinjeni po 32 nukleotidov dolgi odseki DNK, ki so se medsebojno razlikovali. Shematično lahko zaporedje opišemo kot ABACADAEA, kjer predstavlja A ponavljajoči se del, deli B, C, D in E pa medsebojno različne dele. Česa podobnega pri bakterijah pred tem še niso opazili. Domnevali so, da ne gre zgolj za naključje, ampak za mehanizem, katerega funkcije še ne poznajo. Kasneje so iste serije zapisov opazili tudi pri drugih vrstah bakterij in takrat je to nenavadno zaporedje DNK dobilo ime CRISPR, kar je okrajšava za »clustered regularly interspaced short palindromic repeats«.

    V primeru, ko nenavaden pojav zaznajo pri različnih vrstah, ki obstajajo že na milijone let, je na mestu hipoteza, da gre za neko pomembno funkcijo. Leta 2005 so imeli znanstveniki na voljo že veliko podatkov z zbranimi informacijami o zaporedjih DNK pri mnogih živih bitjih, zato so se lotili primerjalne študije, ki naj bi razkrila pomen tega nenavadnega zaporedja. Ugotovili so, da so variabilni deli v zaporedjih CRISPR v bistvu deli DNK virusov.

    Biolog Eugene Koonin je takrat predlagal, da je CRISPR v resnici del obrambnega sistema, ki so ga bakterije razvile za boj proti virusom. Pri sistemu CRISPR naj bi bakterijam uspelo shraniti dele DNK virusa, ki jih je napadel, kar naj bi jim omogočalo, da bi ga pravočasno prepoznale, ko bi se ponovno pojavil. Šlo naj bi za neke vrste »fotografijo«, ki branilcem olajša prepoznavo sovražnika.

    Ko se virus pričvrsti na celico, sprosti svoje gene v njeno notranjost. Celica se proti vdoru tujih genov brani s posebnimi encimi, ki poskušajo uničiti napadalca. Vendar takšna obramba praviloma ni pretirano uspešna. Celica virusnemu napadu večinoma podleže, le redko se ji uspe ubraniti in preživeti. V takih primerih pošlje v akcijo nove encime, ki napadalčevo virusno DNK razgradijo na majhne dele, te pa nato vgradi v svojo DNK kot variabilne dele v zaporedju CRISPR. Ko tako celico naslednjič napade enak virus, je celica bolje pripravljena na obrambo. V boj lahko pošlje posebne enote, ki imajo pri sebi sliko nasprotnika z navodilom, naj ga uničijo.

    Leta 2012 se je biokemičarki Jennifer Doudna porodila ideja, da bi lahko metodo bakterijske imunske obrambe proti virusom uporabila kot univerzalno orodje za urejanje genetskega zapisa v katerikoli živi celici. S sodelavci je ugotovila, da je sistem mogoče prilagoditi tako, da je uporaben kot nekakšne molekularne škarje, s katerimi lahko izvajamo zelo natančno definirane operacije v genomih živih celic.

    Takrat je bilo že potrjeno, da predstavlja CRISPR neke vrste bakterijski imunski sistem, ki zadrži dele virusne DNK in jih lahko kasneje bakterija uporabi za prepoznavo napadalcev, ko se ti ponovno pojavijo. CRISPR deluje s pomočjo encimov Cas (CRISPR-associated proteins), ki prerežejo dvojno vijačnico DNK. Gene z zapisom za specifični encim Cas9 so našli v bakterijskem genomu v bližini zaporedij CRISPR.

    Mehanizem v bakterijskih celicah deluje po naslednjem protokolu. Dele virusne DNK, ki se shranijo v vmesne variabilne regije CRISPR, bi lahko opisali kot celične sezname fotografij in opisov sovražnikov, ki jih je bakterija že srečala. S pomočjo takih »slik« se lahko encimi Cas9 spremenijo v zelo učinkovito orožje oziroma orodje. Na osnovi DNK-zaporedij nevarnih virusov se tvorijo molekule RNK, ki se vgradijo v encime Cas9. Encim z ugnezdeno molekulo RNK, ki ustreza zaporedju virusne DNK, nato potuje po celici in se poskuša vezati na vsako DNK, na katero naleti. Če se zaporedje RNK na encimu ne ujema z najdeno DNK, se ne bo zgodilo nič in encim bo nadaljeval iskanje. Ko pa naleti na DNK, ki se natančno prilega v encimu shranjeni RNK, bo najdeno DNK razsekal in s tem uničil.

    V boj proti komarjem

    Jennifer Doudna je predlagala, da bi namesto tega, da encimi Cas9 iščejo in napadajo viruse, zapis RNK prilagodili na način, da bi encimi v celici, ki ni nujno bakterijska, poiskali in uničili okvarjeni del gena, ki povzroča bolezen. Za zamenjavo okvarjenega dela gena je treba nato na izrezano mesto vgraditi še nov delujoč del, kar pa niti ni tako težavno. To delo opravijo encimi, ki ves čas skrbijo za popravilo poškodovane DNK. Sistem so že uspešno preizkusili na miših s hemofilijo. Januarja 2013 so pokazali, da lahko s to metodo v človeških celicah izrežejo del DNK in ga zamenjajo z drugim.

    Pomembno je poudariti, da lahko sistem CRISPR uporabljajo na vseh živih bitjih. Zaenkrat še ne poznajo biološke vrste, na kateri tehnologija ne bi delovala, naj gre za bakterije, rastline, živali ali človeka. Trenutno so raziskovalci že zelo uspešni pri aplikaciji metode na testnih živalih, kot so denimo miške, podgane, vinske mušice in podobno. Raziskujejo tudi načine, kako bi s to metodo izboljšali postopke zdravljenja raka.

    S pomočjo tehnologije CRISPR bi morda lahko nekoč oživili tudi nekatere izumrle živalske vrste. Če vemo, kateri geni so bili pri izumrlih vrstah drugačni kot pri še živečih, jih lahko s to metodo zamenjamo in tako ustvarimo bitje, ki je že izumrlo. Aplikacije so obetavne tudi na področju spopadanja z zoprnimi sovražniki, kot so denimo komarji, ki prenašajo malarijo.

    Tehnologija CRISPR omogoča bistveno bolj natančno, lažje in predvsem cenejše urejanje in spreminjanje genetskega zapisa v celicah, zato ji napovedujejo hiter razvoj in množico različnih aplikacij. Novembra 2014 so biokemičarki Jennifer Doudna in njeni sodelavki Emmanuelle Charpentier prav za iznajdbo metode CRISPR podelili več milijonov dolarjev vredno nagrado »breakthrough prize in life sciences«, ki jo med drugim sponzorira Mark Zuckerberg, ustanovitelj Facebooka, skupaj še z nekaj drugimi internetnimi milijarderji.

    Jennifer Doudna je po prejetju nagrade opozorila, da je do odkritja prišlo med raziskavo, v kateri so poskušali razumeti procese, ki se odvijajo v bakterijah. Nikakor niso načrtovali, da bodo ob tem odkrili še novo tehniko urejanja genov. Zato je po njenem mnenju izjemno pomembno, da se spodbuja raziskovanje, ki ima za cilj razumevanje procesov, in ne le praktične aplikacije.