Відкриття системи CRISPR/Cas9: співпраця двох науковиць, що назавжди змінила світ

Juna

Нобелівська премія у всьому світі вважається найпрестижнішою для своїх галузей винагородою. За заповітом шведського винахідника Альфреда Нобеля, ця премія має на меті відзначити людей, чия робота принесла найбільшу користь людству. Вперше її було присуджено 1901 року. Тоді це було п’ять окремих номінацій у сферах фізики, хімії, фізіології та медицини, літератури і миру. У 1968 році було додано ще одну – з економічних наук. 

Станом на сьогодні лауреатами премії є понад дев’ятсот осіб, з них лише шістдесят – жінки. Найбільший відсоток жінок серед переможців припадає на премію миру: 16.3%. Найменший – на галузь фізики: за всю історію цю нагороду отримало лише 4 жінок, що складає 1.8% всіх лауреатів. Графічно ці співвідношення представлені нижче на діаграмах

2020 рік став єдиним в історії премії, коли нагороду в одній номінації розділили між собою дві жінки: Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Дудна. Вони стали лауреатками в галузі хімії за відкриття генетичних ножиць CRISPR/Cas9 – одного з найточніших інструментів генної інженерії.

Їх науковий прорив – це захоплива історія про те, що природа ще має чим нас здивувати і лише чекає на допитливий розум, що зможе вчасно розпізнати потенціал своєї знахідки.

Стаття має на меті розповісти, як працює ця технологія і як її відкриття започаткувало нову еру генетичних досліджень, а також привернути увагу читачів до видатних науковиць, що стоять за цим досягненням. 

Почнемо з теоретичної бази.

Як відомо, генетичні послідовності, що містяться у ДНК, визначають всі риси живого організму. Від бактерії до синього кита – кожна клітина підпорядковується суворим інструкціям, що несе у собі її генетичний код.

Що таке CRISPR? Це абревіатура від clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Не лякайтеся! CRISPR лише позначає ділянку генетичного коду, яка має досить цікаву структуру та властивості: фактично, вона є компонентом найпростішої імунної відповіді, що притаманна бактеріям та археям. Коли науковці почали ретельніше аналізувати CRISPR, вони помітили, що певні шматочки генетичного коду збігаються з вже відомими послідовностями різноманітних вірусів. Вважається, що бактеріальні клітини самі інкорпорують частини вірусної ДНК в свою як пам’ять про інфекцію. Тобто CRISPR ніби зберігає “історію хвороб” для клітини, щоб коли вона зустрінеться з вірусом наступного разу, її молекулярні механізми одразу розпізнають патогенну ДНК і знищать її. В цьому клітині допомагають декілька інших компонентів на додачу до послідовності CRISPR. Оскільки головною функцією ДНК є захист та збереження генетичної інформації, безпосередньо вона сама не може бути залучена до боротьби з вірусом. Тому клітина утворює молекулу РНК – такого собі “побратима” ДНК. Вона є ніби відтиском потрібної ділянки геному, тобто в цьому випадку буде нести код характерний для вже знайомого вірусу. 

РНК утворює комплекс з білком Cas9 (скорочення від CRISPR-associated), що має здатність розрізати ДНК у чітко визначених місцях. Разом вони “сканують” клітину на присутність вірусної послідовності. У випадку, якщо вірус інфікував клітину знову, комплекс впізнає його генетичний код, завдяки наявному прикладу з РНК, а у відповідь Cas9 розріже вірусну ДНК, нейтралізовуючи її перш, ніж та встигне завдати шкоду. 

З самого початку цей водночас складний та елегантний процес Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Дудна вивчали окремо, підходячи до питання з різних боків.

Головним дослідницьким інтересом Еммануель Шарпентьє були хвороботворні бактерії. Досліджуючи механізми регуляції їх генів, науковиця наштовхнулася на раніше невідому РНК. Її аналіз привів Шарпентьє до відповідної ділянки геному – вищезгаданої CRISPR.

Відчуваючи потенціал цієї знахідки, вона почала шукати експертів для майбутньої співпраці. Її вибір цілком логічно пав на Дженніфер Дудну, яка на той момент вже мала два десятиліття досвіду у дослідженні РНК. Крім того, Дудна була зацікавлена у темі CRISPR і працювала над дослідженням функцій асоційованих білків Cas.

Вперше науковиці зустрілися на конференції в Пуерто-Ріко та домовилися про співпрацю. Разом вони почали вивчати функцію білка Cas9 та його роль у системі з CRISPR. Їх досліди довели, що РНК потрібна, щоб ідентифікувати вірусну ДНК, а Cas9 – щоб розщепити її.

Здавалося б, якщо принцип роботи CRISPR/Cas9 вже вивчено, то історія добігає кінця? Насправді, вона лише починається, адже для науковців недостатньо відкрити та зрозуміти певний процес в природі: вони обов’язково думають, як застосувати отримані знання на практиці під новим кутом. І саме цим вирішили зайнятися Шарпентьє та Дудна.

Їх зацікавила здатність Cas9 вносити розріз в ДНК у заздалегідь визначеній точці – тій, яку вказує підготовлена РНК. Науковиці спробували спростити ці молекулярні ножиці та зробити їх доступними для широкого застосування. І в решті-решт, їм вдалося створити систему, яка на замовлення буде розщеплювати ДНК у потрібному місці. 

Значення такого відкриття важко переоцінити. Раптово на руках у вчених опинився інструмент для генетичних маніпуляцій, що є високоточним, швидким та дешевим, а також працює для будь-якого організму і будь-якого типу клітин. 

За допомогою CRISPR/Cas9 можна вмикати та вимикати гени за бажанням, що дозволяє вивчати їх функції в організмі і дізнатися більше про взаємодію різних компонентів геному.

Система CRISPR/Cas9 також повністю змінила селекцію: більше не треба виводити рослини стійкі до патогенів, якщо за допомогою молекулярних ножиць можна розрізати ДНК рослини та вставити у неї бажаний ген резистентності.

А найголовніше це надія на лікування генетичних хвороб, яку отримало людство. Молекулярні ножиці дають змогу науковцям заміняти пошкоджений ген, що є причиною захворювання, на правильну його копію, потенційно перетворюючи клітину на здорову. Наразі у світі проводиться багато тестів щодо ефективності CRISPR/Cas9 для лікування захворювань крові, шкіри, м’язової дистрофії, тощо.

Шарпентьє та Дудна не зупинилися на вивченні бактеріальної імунної системи, а натомість подарували всьому людству могутній інструмент для дослідження та лікування, що вже сьогодні змінює наше уявлення про науку та медицину. 

Співпраця Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Дудни – яскравий приклад висот, яких можуть досягнути науковиці, маючи терпіння, цікавість до своєї справи разом з досвідом, допитливим розумом та готовністю боротися за свої ідеї. Ділитися такими захопливими історіями важливо, щоб кожна дівчина зацікавлена у STEM галузі знала, що вона не самотня в своїх інтересах і в неї є всі шанси ще змінити науку та світ навколо.

Цей матеріал підготовлено в рамках проєкту STEM school, що був організований ініціативою “Посли європейської молоді” та ГО “Жіноча Ліга”.

«Посли європейської молоді» (YEAs) – це неполітична ініціатива, що інформує молодь про співпрацю між ЄС і країнами Східного партнерства та сприяє політичному діалогу, громадському активізму та кооперації заради кращого майбутнього.

ГО “Жіноча Ліга” має на меті боротьбу з дискримінацією жінок у суспільстві в різних сферах життя та допомогу у реалізації потенціалу і забезпеченні економічної стабільності жінок.