Jeszcze niedawno aby zmodyfikować genetycznie żywy organizm, trzeba było mieć dostęp do laboratoriów wyposażonych w kosztowny sprzęt. Sytuację diametralnie zmieniła metoda zwana CRISPR. „Jest tak łatwa, że można zastosować ją w prawie każdym laboratorium. Niedawno byłem w Pradze na konferencji poświęconej genetyce. Aż 90 proc. wykładów dotyczyło CRISPR” – mówi „Focusowi” dr Witold Konopka z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Warszawie, który sam stosuje tę metodę do blokowania genów w mózgach szczurów. Wielu komentatorów spodziewało się, że odkrycie CRISPR zostanie uhonorowane Nagrodą Nobla w ubiegłym roku.

Naukowcy donoszą co chwila o zastosowaniu tej metody do zmiany DNA roślin, pszczół, świń, psów, a nawet ludzkich zarodków. Pojawiają się próby wykorzystania jej w praktyce klinicznej. Z jednej strony jest to ogromna szansa dla wielu ludzi dotkniętych nieuleczalnymi dotąd schorzeniami o podłożu genetycznym. Z drugiej – odżyły obawy, że ktoś spróbuje w końcu powołać do życia dziecko z precyzyjnie „zaprojektowanym” DNA.

Jak działa pamięć u bakterii 

Metoda CRISPR powstała dzięki odkryciu, którego wagi nie docenili sami odkrywcy. W 1987 r. zespół japońskich badaczy znalazł dziwne fragmenty DNA w genomie bakterii Escherichia coli.

Miały one postać pięciu identycznych sekwencji porozdzielanych całkowicie odmiennymi odcinkami. Można je było porównać do dużej kanapki, w której identyczne kromki chleba przekładane są różnorodnymi mieszankami wędlin, warzyw i sosów. Japończycy nie mieli bladego pojęcia, czemu to wszystko może służyć.

Sprawa wzbudziła większe zainteresowanie dopiero wtedy, gdy podobne sekwencje DNA wykryto także u innych gatunków bakterii. Oznaczało to, że muszą pełnić jakąś ważną rolę w komórkach mikrobów. W 2002 r. Ruud Jansen z Uniwersytetu Utrechtu w Holandii postanowił nadać tym sekwencjom nazwę. Po angielsku są to „clustered regularly interspaced short palindromic repeats” („zgromadzone regularnie przerywane krótkie powtórzenia palindromiczne”), w skrócie CRISPR. Zespół Jansena odkrył też, że tym dziwacznym sekwencjom zawsze towarzyszył gen kodujący enzym o nazwie Cas9, który potrafi ciąć nić DNA.

Trzy lata później wreszcie zrozumiano, jaką rolę pełni ten system. Gdy jakiś wirus atakuje bakterię, enzym Cas9 chwyta jego DNA, tnie i wciska między identyczne sekwencje CRISPR w bakteryjnym genomie. Taki ślad zostaje tam na stałe. Przydaje się wtedy, gdy do wnętrza bakterii ponownie wedrze się wirus tego samego typu. Wówczas bakteria od razu go rozpozna i zniszczy. „Sekwencja CRISPR to bakteryjny odpowiednik naszej pamięci odpornościowej” – wyjaśnia dr Konopka.

 

 Trzeba było jeszcze kolejnych paru lat, by naukowcy doszli do wniosku, że CRISPR w połączeniu z enzymem Cas9 można wykorzystać do manipulowania DNA w laboratorium. Przełomowy krok uczyniły zespoły Jennifer Doudny z Uniwersytetu Berkeley w USA oraz Emmanuelle Charpentier z Uniwersytetu Umea w Szwecji. W 2012 r. uczone wraz ze swymi zespołami ogłosiły, że bakteryjny system po zmodyfikowaniu pozwala na edycję dowolnego fragmentu DNA: można z niego wycinać geny, wstawiać nowe, włączać je lub wyłączać.

„Do przygotowania odpowiednich materiałów nie trzeba już wyspecjalizowanych pracowników, wystarcza program komputerowy. Możemy też celować w kilka miejsc w genomie naraz. Potrafimy wycinać duże fragmenty DNA i albo je wyrzucać, albo obracać o 180 stopni. Możemy tworzyć zwierzęta transgeniczne już na etapie jednokomórkowego zarodka” – mówi dr Konopka. To oznacza także dużo większą wydajność niż dawały poprzednie metody. Kiedyś stworzenie genetycznie zmodyfikowanej myszy zajmowało 1–2 lata. Metoda CRISPR skróciła ten proces do kilku tygodni.

Zabić komary, wyleczyć choroby

Większość laboratoriów genetycznych na świecie szybko zaczęła stosować nową technologię. Jej możliwości są ogromne. Pojawiają się doniesienia o pszenicy, która potrafi bronić się przed atakującym ją grzybem, o orzeszkach ziemnych niewywołujących alergii, o pomidorach o przedłużonej świeżości czy wreszcie o świniach odpornych na groźne wirusy. CRISPR dał nadzieję na skuteczną walkę z odpornymi na herbicydy superchwastami.  Tempa nabrały także prace nad modyfikowaniem komarów, które roznoszą malarię. Za pomocą CRISPR udało się wprowadzić do DNA tych owadów gen odporności na zarodźce malaryczne. I to w taki sposób, że dziedziczy go całe ich potomstwo – bez wyjątków. To pozwoliłoby na błyskawiczne rozprzestrzenienie się nowej cechy eliminującej możliwość przeniesienia malarii na ludzi. W ten sposób można by pokonać chorobę, która zabija rocznie milion osób na całym świecie.

Trudny start terapii genowej

Uczeni od dawna marzyli o metodzie, która pozwoli im „naprawiać” fragmenty DNA odpowiedzialne za powstawanie chorób. Pierwsze próby podjęto już ćwierć wieku temu. W 1990 r. pobrano białe krwinki od czteroletniej dziewczynki cierpiącej na ciężki złożony niedobór odporności (SCID). Owe krwinki nie produkowały przeciwciał, które w zdrowym organizmie chronią przed chorobotwórczymi mikrobami. Do wyizolowanych i namnożonych komórek zostały wprowadzone geny, które umożliwiały produkcję przeciwciał. Następnie zmodyfikowane krwinki wstrzyknięto dziewczynce, dzięki czemu mogła prowadzić w miarę normalne życie, choć procedurę trzeba było powtarzać co kilka miesięcy. Tę udaną próbę przyćmiła jednak tragedia dotycząca innego pacjenta. W 1999 r. zastosowano terapię genową u 17letniego Jessie Gelsingera z USA. Chłopiec cierpiący na niedobór transkarbamylazy ornitynowej – nieuleczalną chorobę wątroby – trafił do kliniki na University of Pennsylvania. Lekarze podali mu spreparowanego adenowirusa, który był „strzykawką” zawierającą leczniczy gen. Młody pacjent zmarł po czterech dniach wskutek gwałtownej reakcji układu odpornościowego. Śmierć Gelsingera wstrzymała rozwój tej gałęzi medycyny na długie lata. Teraz nadzieję na bezpieczniejsze formy terapii genowej dają innowacyjne metody laboratoryjne, takie jak CRISPR.

CRISPR daje też nadzieję pacjentom cierpiącym na schorzenia powstające w wyniku uszkodzeń pojedynczych genów, takie jak hemofilia czy mukowiscydoza. Wcześniejsze próby stosowania tzw. terapii genowej nie przyniosły zadowalających rezultatów. Teraz ma się to zmienić. „Należałoby wprowadzić gen Cas9 precyzyjnie do wybranych komórek dorosłego człowieka” – mówi dr Konopka. To pozwoliłoby na naprawę wadliwie działających fragmentów DNA.

W 2014 r. w ten sposób udało się wyleczyć myszy z dziedzicznej choroby zwanej tyrozynemią. W wyniku mutacji pojedynczego genu ich organizmy nie rozkładały tyrozyny – jednego z 20 aminokwasów wchodzących w skład naszych białek. U chorych ludzi nadmiar tego związku we krwi prowadzi do zaburzeń rozwoju umysłowego, uszkodzeń wzroku i wątroby. Obecnie jedyną metodą walki z tyrozynemią jest przejście na restrykcyjną dietę. Skoro jednak u myszy udało się naprawić feralny gen, to taka terapia ma szansę zadziałać także u nas. „Na zaawansowanym etapie są też prace nad naprawą genów w dystrofii mięśniowej Duchenne’a” – dodaje dr Konopka. Inny przykład to niszcząca układ nerwowy choroba Huntingtona. „Tam też jest jeden dobrze zdefiniowany cel: konkretny gen, który można by naprawić. Tyle że musimy ten gen naprawić w mózgu. Stało się to możliwe dopiero dzięki CRISPR” – tłumaczy uczony.

W powodzi entuzjazmu początkowo ginęły obawy co do skutków, jakie może wywołać łatwość i dostępność metody CRISPR. Dr Konopka zwraca uwagę, że przy terapiach genetycznych nie zawsze udaje się trafić do celu – wybranej tkanki, której DNA ma zostać zmodyfikowane. „Możemy wtedy uszkodzić, a nawet zniszczyć genom” – mówi naukowiec.

 

Zniszczenia mogą jednak być celowe. W 2014 r. młody amerykański uczony ogłosił, że zmodyfikował wirusy tak, by wprowadzały elementy CRISPR do myszy. Tam spreparowany DNA uaktywniał się, wprowadzając mutację, która wywoływała mysi odpowiednik ludzkiego raka płuc. W podobny sposób można by opracować broń biologiczną, wywołującą raka u ludzi.

Ingerencja w zarodek

Największe wątpliwości budzą jednak inne badania. W 2015 r. chińscy uczeni poinformowali, że udało im się za pomocą CRISPR zmodyfikować geny ludzkich zarodków. Wykorzystali do tego jednokomórkowe embriony z klinik leczenia niepłodności, ale wyłącznie takie, u których komórka jajowa została zapłodniona dwoma plemnikami. W wyniku tego błędu nie były one zdolne do dalszego rozwoju. Chińczycy modyfikowali w tych zarodkach gen, którego mutacje prowadzą do dziedzicznej choroby zwanej talasemią.

Choć cel był szczytny, bo miał doprowadzić do opracowania terapii, to zabieg wywołał kontrowersje. Dwa najważniejsze czasopisma naukowe świata – „Nature” i „Science” – odmówiły opublikowania pracy Chińczyków. Ukazała się ona w końcu w mniej prestiżowym piśmie „Protein & Cell”. Przy okazji pojawiły się informacje, że co najmniej cztery inne zespoły badawcze w Chinach też pracują nad modyfikacjami genetycznymi ludzkich zarodków. Pierwsze wyniki tych prac już znamy – uczeni wstawili do DNA zarodka gen dający odporność na zakażenie wirusem HIV.

W lutym tego roku zezwolenie na podobne eksperymenty otrzymał pierwszy naukowiec z Europy – Kathy Niakan z Instytutu Francisa Cricka w Londynie. Jej zespół planuje zmienić geny w zdrowych zarodkach tuż po zapłodnieniu. Po upływie siedmiu dni wszystkie embriony mają zostać zniszczone.

Jednak eksperymenty naukowe prowadzone pod nadzorem komisji bioetycznych mogą być jedynie czubkiem góry lodowej. Metoda CRISPR jest na tyle prosta, że korzystają z niej już tzw. biohakerzy – amatorzy pracujący w garażach czy piwnicach. Zestawy umożliwiające samodzielne „grzebanie” w DNA można bez problemu zamówić przez internet. Trudno dziś przewidzieć, do czego mogą doprowadzić eksperymenty wykonane w takich warunkach. Jedno jest pewne – narodziny dziecka ze zmodyfikowanymi sztucznie genami są już tylko kwestią czasu. 


• DLA GŁODNYCH WIEDZY:

» Informacje naukowe dotyczące metody CRISPR – www.bit.ly/CRISPR1, www.bit.ly/CRISPR2

» Nasz artykuł o dzieciach „na zamówienie” – www.bit.ly/fc13pgd