Последните постижения в науката отвориха достъпа до светината на светите за човека - до "кода на живота" или ДНК, предоставяйки почти неограничени възможности за преструктуриране на всеки жив организъм. Готови ли сме да приемем такъв подарък от учените?
Хвърляйки бърз поглед в офиса на Антъни Джеймс, лесно е да се досетите какво прави - всички стени са покрити с изображения на комари, а рафтовете са облицовани с книги за тези насекоми.
Над работната маса е поставен плакат, който ясно показва всички етапи от развитието на комара Aedes aegypti: излюпването на ларвата от яйцето, последващото му куплиране и трансформиране в възрастен. Мащабът на изображението ще накара дори искрените фенове на трилърите за кръвожадни гигантски насекоми да потръпнат. На регистрационната табела на колата на Антъни също гордо е подпечатано с неразбираема комбинация от букви - AEDES.
„В продължение на три десетилетия бях буквално обсебен от комари“, казва Антъни Джеймс, молекулярно генетик от Калифорнийския университет, Ървайн. В природата има около 3,5 хиляди вида истински комари, но Антъни се интересува само от най-смъртоносните от тях. Един от ярките примери е комарът Anopheles gambiae, носител на болест, която убива стотици хиляди хора всяка година.
Биогеографите смятат, че тези комари са дошли в Америка от Африка на кораби на роби през 17-ти век и са донесли със себе си жълта треска, от която по онова време умират милиони хора в Новия свят. Днес тези насекоми са се превърнали и в носители на треска на денга, която заразява около 400 милиона души всяка година, вируси чикунгуня, Западен Нил и Зика. (Последният бушува през 2015 г. в Бразилия и Пуерто Рико, което доведе до огнище на редица заболявания на нервната система, включително доста рядко заболяване - микроцефалия: децата се раждат с непропорционално малка глава и недоразвит мозък.)
Използвайки CRISPR технологията, Антъни редактира генома на индивида отдясно, така че възрастният комар вече не може да разпространява паразитите. Флуоресцентните протеинови маркери потвърждават, че операцията е била успешна. Ако сега „редактираните“насекоми се пуснат в естествената среда, техните потомци постепенно ще заменят обичайните носители на инфекцията. Но въпросът все още не е достигнал практически действия.
Ларвите на комарите от лабораторията на Антъни Джеймс от Калифорнийския университет в Ървайн демонстрират как маларията може да бъде изкоренена веднъж завинаги. И двете принадлежат към вида Anopheles stephensi, основен разпространител на малазия от плазмодий в азиатските градове.
Основната цел, поставена от групата на Антъни, е да намери ключа за генома на комарите и да го направи така, че да не могат да разпространяват опасни заболявания. Доскоро екипът му беше практически сам по трънливия път на теоретичните изследвания. Всичко се промени с появата на нова революционна технология - CRISPR / Cas9: Изследванията на Антъни най-накрая намериха практическа основа.
Промоционално видео:
CRISPR / Cas9 са два компонента на бактериалната генна система, отговорна за имунитета на тези малки същества. Първият се състои от кратки палиндромни повторения на ДНК (на английски език, клъстер редовно преплитащи къси палиндромни повторения или съкратено CRISPR), разположени в редовни групи, между които има разделители (буквално: "разделители").
Космиците всъщност представляват участъци от гените на вирусите и действат като своеобразен картотечен показател на генетични „пръстови отпечатъци“на тези основни врагове на бактериите. И Cas9 е протеин, който с помощта на водеща РНК - копие на един или друг спейсър - проверява вирусни ДНК фрагменти, които вече са в "картотека" с чужди молекули, хванати в клетката. И ако се намери съвпадение, той разрязва ДНК на вируса, опитвайки се да нахлуе в клетката, което прави невъзможно да се размножава.
Оказа се, че Cas9 може да бъде адаптиран да работи с всяка водеща РНК, което означава, че този протеин може да бъде насочен да отреже всяка ДНК последователност, която е аналог на тази РНК. Когато се направи разрез в дадена част от ДНК, остава само да вмъкнете необходимия ген в празнината (или не можете да вмъкнете нещо ново, просто изтрийте ненужното старо). Тогава самата клетка (и не само бактериалната!) Прави всичко: за нея елиминирането на подобни разкъсвания е рутинна работа.
Овладявайки оръжията на бактериите срещу вируси, генетиците са се научили бързо и точно да променят ДНК на всеки жив организъм на планетата и човекът не е изключение. Всъщност CRISPR технологията е скалпел в ръцете на генетик, по-остър и безопасен от стоманен скалпел на хирург. С помощта на нов метод на генно инженерство специалистите могат да коригират някои генетични заболявания - да редактират мутации, които водят до мускулна дистрофия, муковисцидоза и дори да победят една от формите на хепатит. Напоследък няколко групи учени се опитаха да използват нов метод за "изрязване" на гените на имунодефицитния вирус (ХИВ), вграден в хромозомите на човешките клетки - лимфоцитите. Рано е да се говори за ново чудодейно лекарство срещу СПИН, но според много експерти то ще бъде намерено именно благодарение на технологията CRISPR.
Друга област на активно търсене е борбата със свинските вируси, поради която все още е невъзможно да се поставят трансплантации на органи от животни на хора на поток. Те се опитват да намерят приложение на CRISPR технологията за защита на застрашените видове. Те започнаха да провеждат експерименти за отстраняване на гени от ДНК на култивираните растения, за да отблъснат насекомите от вредители. Ако това може да бъде постигнато, човечеството вече няма да разчита изцяло на отровни пестициди.
Нито едно от научните открития от миналия век не обещаваше толкова ползи - нито породи толкова много етични въпроси. Например, могат ли да се редактират полови клетки? В крайна сметка те съдържат генетичен материал, който се предава на следващите поколения - деца, внуци и правнуци на генетично модифицирани индивиди - и така нататък ad infinitum. Няма значение от какви намерения ще се ръководи генетиката в този случай - дали желанието да се коригира вродена болест или желанието да се подобри някакво полезно свойство - но кой ще се осмели да предвиди всички последици от намесата в самите основи на живота?
„Ако някой внезапно се осмели да трансформира зародишните клетки, той трябва да помисли три пъти“, разсъждава Ерик Ландър, директор на Широкия институт на Кеймбридж, който ръководи не толкова отдавна сензационния проект за човешкия геном. - И докато този смелчак не докаже на широката общественост, че има основателни причини за подобна намеса в човешката природа и обществото не приеме неговите доказателства, не може да има съмнение за някаква дълбока промяна в генома. Учените все още не са успели да намерят отговори на много етични въпроси. И не знам кой и кога ще може да ги даде."
И забавянето в този случай е подобно на смъртта в истинския смисъл на думата. Така според прогнозите на американските центрове за контрол и превенция на заболяванията, до момента, в който бушуващата епидемия Зика в Пуерто Рико отшуми, повече от една четвърт от 3,5 милиона население на острова ще станат носители на това заболяване (въз основа на модели за разпространение на други патогени, които се носят от комари). Това означава, че хиляди бременни жени са изложени на риск да родят неизлечимо болно или нежизнеспособно дете.
Наистина ефективно решение на проблема в момента е едно - да залеете целия остров с инсектициди, които ще унищожат векторите за насекоми. [Това направи СССР своевременно при строежа на Братската водноелектрическа централа. - Руска редакционна бележка (RRP).] Въпреки това, Антъни Джеймс предлага друг начин за ликвидиране на болестта веднъж завинаги. За да направите това, просто трябва да редактирате генома на комарите, използвайки CRISPR технология.
Насоченото редактиране на генома ви позволява да заобиколите "неизменните" закони на наследствеността. В природата е така установено, че по време на сексуално възпроизвеждане родителите предават на потомството си по едно копие от гени. Някои щастливи гени обаче са получили „дар“от еволюцията: шансовете им да бъдат наследени надхвърлят 50 процента. Вярно е, че собствениците на такива гени е малко вероятно да са щастливи от такъв подарък на съдбата: като правило това са гени, които носят сериозни заболявания. Сега, поне на теория, учените могат да използват технологията CRISPR за изрязване на дефектни гени от нишка на ДНК. Освен това промененият генотип ще се разпространи в популацията по естествен път (сексуално).
Член на персонала в Международния център за регенеративна медицина в Шенжен, преди да влезе в стерилна стая, където клетките на роговицата на свинското око са модифицирани за трансплантация на хора.
Лонг Хайбин, от Института по фармацевтични изследвания в Гуанджоу, удря биглата Тиангу - едно от две кучета, отгледани от ембриони, чийто геном е редактиран, за да удвои мускулната си маса. Подобни експерименти позволяват на учените да разберат по-добре механизмите на мускулната дистрофия при хората.
През 2015 г. Антъни Джеймс публикува статия в списанието Proceedings of the National Academy of Sciences, в която описва използването на метода CRISPR за генетично модифициране на маларийния комар. „Вмъквайки определени гени, комарите няма да могат да разпространяват причинителите на смъртоносната болест“, обяснява Джеймс. "Но в същото време нищо друго в живота им няма да се промени."
„Работих в мир и тишина десетилетия, никой не знаеше за мен. Сега телефонът ми звъни - добавя той и кима с глава на купчината писма, събрани на бюрото му. Но Антъни е добре наясно, че стартирането на изкуствено създадена мутация, предназначена за бързо разпространение в популация от диви животни, може да доведе до непредвидими последици и, вероятно, до необратими промени в природата. „Разпространението на насекоми с геном, редактиран в лабораторията в естествената среда, разбира се, е свързан с определен риск, - казва ученият. "Въпреки това, според мен, бездействието е още по-опасно."
Генетиците преди повече от 40 години се научиха да премахват определени нуклеотидни последователности от генома на някои организми и да ги прехвърлят на други, за да променят естеството на новите собственици. Молекулярните биолози очакваха огромните възможности, които обещава рекомбинантният метод на ДНК за тях - това е името на новата технология. Ентусиазмът обаче намаля, когато разбраха, че прехвърлянето на ДНК между различни видове може да доведе до неконтролирано разпространение на вируси и други патогени и впоследствие до появата на заболявания, от които няма естествен защитен механизъм. Това означава, че няма да има готови ваксини срещу тези заболявания.
Непредсказуемото бъдеще плашеше самите учени преди всичко. През 1975 г. по време на конференцията Asilomar в Калифорния молекулярните биолози от цял свят обсъждат рисковете, породени от генното инженерство и сформират работна група за разработване на серия от мерки за подобряване на безопасността при експерименти с геноми.
Скоро стана ясно, че е постижимо приемливо ниво на сигурност и възможностите на новата приложна наука надхвърлят най-смелите очаквания. Генното инженерство започна постепенно да променя живота на милиони хора към по-добро. Страдащите от диабет получиха стабилен източник на инсулин: учените прехвърлиха гени, отговорни за синтеза на инсулин в човешкото тяло, към бактерии, а гигантските колонии от генетично модифицирани бактерии се превърнаха в истински фабрики за инсулин.
Благодарение на генетичната модификация на растенията се появиха нови високопродуктивни култури, устойчиви на хербициди и насекоми - започна нов кръг на зелената революция.
Преди ембрионите да влязат в матката, беше извършена щателна преимплантационна генетична диагноза (PGD) - тест, който ви позволява да изберете само здрави ембриони. Илан Тур-Касп, лекар от Института по репродуктивна генетика и репродукция в Охайо, който извърши операцията, прецени, че PGD ще помогне да се намалят разходите за лечение на муковисцидоза с 2,2 милиарда долара годишно.
И двамата родители на 16-месечния Джак са носители на един и същ дефектен ген, което означава, че има 25 процента вероятност децата им да наследят муковисцидоза. За щастие, самият Джак не е податлив на това заболяване, но с течение на времето той може да предаде и болестта по наследство.
Стана широко разпространен и лекуван с генно инженерство. Единствено хранителната промишленост е изправена срещу обществено противопоставяне на същите научни методи. Множество проучвания, показващи, че консумирането на храни, получени от генетично модифицирани организми (ГМО), не са по-опасни от традиционната храна. Истерията около ГМО потвърждава, че хората са готови да се откажат дори от тези храни, които са признати за безопасни от научната общност. [И това въпреки факта, че са регистрирани злополуки, свързани с консумацията на „здравословни“органични продукти, и никой не е пострадал от употребата на генетично модифицирани храни! Благодарение на слабо образованите политици, чиито изявления незабавно се качват и разпространяват в медиите,обикновените хора имат обратното впечатление. - КОНТАКТ]
В зората на приложението на метода на рекомбинантна ДНК термините "трансгенна" и "генетично модифицирана" се отнасят до организми, създадени чрез комбиниране на ДНК на модифициран организъм с фрагменти от ДНК, взети от други видове. Може би технологията CRISPR ще помогне на учените да убедят миряните: в някои случаи генното инженерство не е необходимо само - а е необходимо. В крайна сметка тази технология ви позволява да промените генома на определен вид без участието на чужда ДНК.
Ярък пример за това е златният ориз. Единствената разлика между този генетично модифициран сорт ориз от оригиналния вид е, че зърната му, благодарение на модификацията, са богати на витамин А. Всяка година в развиващите се страни до половин милион деца губят зрение поради липса на витамин А, но активисти, които се противопоставят на ГМО, т.е. все още блокира както научните изследвания, така и търговското производство на златен ориз. Сега генетиката промени тактиката и започна да работи върху промяната на свойствата на обикновения ориз, използвайки CRISPR, за да постигне същия резултат чрез редактиране на гените на растението. И група учени, водени от Кайсия Гао от Китайската академия на науките, успяха, след като премахнаха и трите копия на един от пшеничните гени, да създадат растителен сорт, устойчив на опасно гъбично заболяване - брашнеста мана.
От хилядолетия агрономите пресяват - разбира се, несъзнателно - гените на представители на един или друг вид, кръстосвайки различни разновидности. CRISPR технологията всъщност е по-икономичен метод за подбор - високо точен и бърз. В някои страни разликите между ГМО сортовете и сортовете, получени по CRISPR технология, вече са официално потвърдени от регулаторите, както са направени от правителствата на Германия, Швеция и Аржентина.
В допълнение към предстоящите промени в хранително-вкусовата промишленост е трудно да се надцени потенциалът на метода CRISPR в медицината. Технологията вече значително опрости изследванията в онкологията - сега е много по-лесно учените да създават експериментални клонове на ракови клетки в лабораторията и да тестват различни лекарства върху тях, за да идентифицират най-ефективните в борбата с развиващ се тумор.
Лекарите скоро ще изпробват метода CRISPR за лечение на определени заболявания директно. Например, стволови клетки от хора, страдащи от хемофилия, могат да бъдат редактирани извън тялото на пациента, за да коригират мутантните гени, които причиняват заболяването.
След това новите здрави клетки ще трябва да се инжектират обратно в кръвообращението на пациента.
Още невероятни научни пробиви ни очакват през следващите няколко години. Например в САЩ около 120 хиляди души са регистрирани за трансплантация на органи и тази линия само нараства. Хиляди хора загиват, без да чакат спасителната операция. (И това е без да се вземат предвид онези стотици хиляди хора, които по различни медицински причини дори не могат да попаднат в списъка за трансплантация на органи!) Дълги години учените се опитват да решат проблема - включително чрез използването на животински органи. Прасетата са сред кандидатите за дарение, но тяхната ДНК съдържа ендогенни свински ретровируси (PERVs), подобни на ХИВ и потенциално способни да заразят човешките клетки. Никой държавен регулатор при никакви обстоятелства няма да позволи трансплантацията на заразени органи и доскоро никой не успя да премахне напълно ретровирусите от свинските клетки.[Прасетата на свинете се използват като потенциални трансплантации, защото са сравними по размер с хората и са по-лесни за отглеждане от шимпанзетата и горилите (да не говорим за етичните проблеми), а не защото са генетично по-близки до хората, отколкото маймуните. - CONT'D.] Надяваме се, че редактирането на свинския геном с CRISPR ще позволи на генетиците да осигурят трансплантации на хора.
Група, ръководена от Джордж Чърч, професор от Медицинския университет в Харвард и Масачузетския технологичен институт, вече успя да изреже всички 62 гена на PERV вируси от ДНК на бъбречна клетка на прасе - сложна операция с едновременно редактиране на няколко геномни области, извършени за първи път. Когато модифицираните клетки бяха смесени с човешки клетки в лабораторията, никоя от човешките клетки не се зарази. Същите специалисти успяха успешно да редактират други видове свински клетки, премахвайки 20 гена от тях, които причиняват отхвърляне на чужди тъкани от имунната система на човека. Това е друг важен компонент от успешната трансплантация на органи на животни на хора.
Сега Джордж се занимава с клониране на модифицирани клетки, за да отглежда от тях пълноценни свински ембриони. След година или две той очаква да започне експерименти върху примати и ако след тестови трансплантации органите започнат да функционират без повреди и отхвърляне не настъпи, тогава на следващия етап ще бъде възможно провеждането на експерименти с участието на доброволци. Според оптимистичните прогнози на Църквата подобни човешки операции ще станат реални след година и половина, като се има предвид, че алтернативата на риска за много пациенти е неизбежна смърт.
През цялата си научна кариера Джордж търси начин да помогне на хората, на които лекарите са отказали трансплантации поради ниския си успех. „Решението за трансплантация на органи е едно от най-трудните за лекарите“, обяснява той. - Необходимо е да се вземат предвид много фактори: наличието на инфекциозни заболявания, злоупотреба с алкохол и като цяло всичко, което е „нередно“с потенциален получател. Отказът обикновено се подкрепя от думите, че трансплантацията няма да донесе значителни ползи за пациента. Но това е коренно погрешно: разбира се, трансплантацията дава втори шанс на всеки човек! Просто трябва да осигурите достатъчен брой донорски органи!"
Друго незапалено поле за CRISPR технологията е възстановяването на популациите на застрашени видове. Например, популациите на птици на Хавайските острови бързо намаляват - всичко е виновно за специален вид маларийния плазмодий, който засяга птиците. До началото на 19-ти век корабите на китолозите донасяли комари на островите, местните птици никога не са се сблъсквали с болести, пренасяни от диптерани, и не са имали време да развият имунитет към тях. Само 42 ендемични хавайски вида са оцелели до днес, а три четвърти от тях вече са застрашени. Американската организация за опазване на птиците успя да присвои на Хаваите статута на "световна столица на застрашени видове птици". Ако маларийната малария не бъде спряна чрез редактиране на генома на комарите, вероятно островите ще загубят всички свои собствени видове.
Червата на този комар от лабораторията на Антъни Джеймс е изпълнен с кръвта на крава. Такива насекоми са способни да предават Зика вирус и треска на денга, но геномът им може да бъде модифициран с помощта на технологията CRISPR, така че потомството на променените индивиди да е стерилно.
Джак Нюман, бивш главен учен в Amyris, който създаде синтетичен артемизинин, единственото ефективно лекарство за лечение на малария при хората, сега се фокусира върху борбата с болестите по птиците, пренасяни от комари. Единственият сравнително ефективен метод за защита на птиците днес е пълното елиминиране на вектори, за които се изисква пръскане на токсични вещества върху огромна площ. Относително - защото дори при този подход успехът изобщо не е гарантиран. „За да умре комар, инсектицидът трябва да го удари директно“, обяснява Нюман. Но кръвожадите прекарват по-голямата част от живота си, криейки се в короните на дърветата и се крият в депресии от скали или между камъни. За да отровят по-голямата част от населението на комарите, всички хавайски острови ще трябва да бъдат наводнени с химикали. Ако следваме пътя на промяна на генома и стерилизираме комарите, тогава птиците могат да бъдат спасени, без да унищожат местообитанието си. „Генетичното инженерство е невероятно точно решение на няколко проблема на Хаваите“, казва Джак. „Птицата малария постоянно унищожава екосистемата на островите, но ние имаме способността да я спрем. Просто ще седнем и да гледаме как природата умира пред очите ни?"
Вярно, не всички са доволни от бързия напредък. Например през февруари 2016 г. директорът на националното разузнаване на САЩ Джеймс Клепер предупреди в годишната си реч пред Сената, че технологиите за генно инженерство като CRISPR могат да бъдат използвани за създаване на оръжия за масово унищожение. Научната общност обаче веднага посочи неоснователността на подобни твърдения, признавайки ги за твърде радикални. Терористите имат много по-лесни и по-евтини начини да атакуват цивилни, отколкото да заразят селскостопанските ниви с ново заболяване или да развият смъртоносен вирус.
Разбира се, не бива да се изключва напълно възможната вреда от използването на нови генни технологии. "Какви могат да бъдат последиците от безразсъдното боравене с генома?" - пита Дженифър Дудна, професор по химия и молекулярна биология в Калифорнийския университет (Беркли).
През 2012 г. Дженифър, заедно с колежката си Еманюел Шарпентиер от Института по инфекциозна биология в Берлин (една от мрежата на научните институти Макс Планк) за първи път прилага CRISPR технология за редактиране на ДНК, отговаря на този въпрос: „Не мисля, че знаем достатъчно за човешкия геном и генома на други животни, но хората все пак ще използват тази технология - без значение колко добре се изучава."
Колкото по-бързо се развива науката, толкова по-плашещи изглеждат технологичните заплахи пред човечеството. Биологията става все по-проста и достъпна и скоро всеки ще може да експериментира с домашен комплект CRISPR - като радиолюбители, които събират всички видове приемници и предаватели у дома. Така че безпокойството за това какво могат да правят любителите в домашните лаборатории, ако се докопат до инструмент за промяна на основните основи на генетиката на животните и растенията е оправдана.
И все пак не бива да се пропускат невероятните възможности на генното инженерство. В края на краищата, ако, например, човечеството може завинаги да се отърве от маларията и други заболявания, пренасяни от кръвоспиращи, това несъмнено ще се превърне в едно от най-големите постижения на съвременната наука. И въпреки че все още е твърде рано да се говори за използването на CRISPR технология за редактиране на човешки ембриони, има и други начини за трансформиране на генома на зародишните клетки, които могат да лекуват болести, без да засягат ДНК на бъдещите поколения.
Например децата с болест на Тей-Сакс нямат ензимите, необходими за разграждането на ганглиозиди - мастни киселини, които се натрупват в нервните клетки на мозъка, което води до смъртта на тези клетки и в резултат на това до инхибиране на умственото и физическото развитие, а след това и до ранно смърт на дете. Заболяването е изключително рядко и само в случаите, когато и двамата родители предават на децата си дефектно копие от един и същ ген (което е характерно за затворени човешки групи с тясно свързано кръстосване). Използвайки CRISPR технологията, можете да коригирате генетичния материал на един от родителите - например спермата на бащата - и детето вероятно няма да наследи и двете дефектни копия наведнъж.
В бъдеще такава генна терапия може да спаси живота и да намали вероятността от заболяване. Подобен ефект вече може да се постигне - с изкуствено осеменяване: изборът на ембрион без дефектно копие на гена гарантира, че новороденото не наследява болестта от своето потомство.
„Технологиите за генетичен трансфер и CRISPR ни предоставят най-широките възможности, за които никой не би могъл да мечтае преди това“, обобщава Ханк Грили, директор на Центъра за правни и житейски науки в Медицинския университет в Станфорд. - С тяхна помощ успяваме да направим много добро. Но е важно да осъзнаем, че сме придобили власт на съвсем различен ред и е необходимо да се уверим, че го използваме разумно. Засега не сме готови да поемем такава отговорност, но не трябва да се загуби и ден - трябва да се направи много, за да си гарантираме спокоен живот в бъдеще. “
