Πρωτοποριακός επεξεργαστής DNA Γεννήθηκε από βακτήρια
Ένα βράδυ του Νοεμβρίου του περασμένου έτους, η Jennifer Doudna φόρεσε ένα κομψό μαύρο βραδινό φόρεμα και κατευθύνθηκε στο Hangar One, ένα κτίριο στο Ερευνητικό Κέντρο Ames της NASA που κατασκευάστηκε το 1932 για να φιλοξενεί ντιριτζίμ. Κάτω από τις διαφαινόμενες καμάρες του υπόστεγου, η Doudna συναναστρεφόταν με διασημότητες όπως ο Benedict Cumberbatch, η Cameron Diaz και ο Jon Hamm πριν λάβει το Breakthrough Prize 2015 στις βιοεπιστήμες, ένα βραβείο που χορηγείται από τον Mark Zuckerberg και άλλους δισεκατομμυριούχους της τεχνολογίας. Η Doudna, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, και η συνεργάτιδά της, Emmanuelle Charpentier του Κέντρου Έρευνας Λοιμώξεων Helmholtz στη Γερμανία, έλαβαν ο καθένας από 3 εκατομμύρια δολάρια για την εφεύρεση ενός δυνητικά επαναστατικού εργαλείου για την επεξεργασία του DNA, γνωστό ως CRISPR.
Η Doudna δεν ήταν μια γκριζομάλλα τιμητική που γινόταν για τη δουλειά που έκανε όταν κυριαρχούσαν τα ντιριγκάμπλ στον ουρανό. Μόνο το 2012 η Doudna, ο Charpentier και οι συνάδελφοί τους πρόσφεραν την πρώτη επίδειξη των δυνατοτήτων του CRISPR. Δημιούργησαν μόρια που θα μπορούσαν να εισέλθουν σε ένα μικρόβιο και να κόψουν με ακρίβεια το DNA του σε μια τοποθεσία της επιλογής των ερευνητών. Τον Ιανουάριο του 2013, οι επιστήμονες προχώρησαν ένα βήμα παραπέρα:Έκοψαν ένα συγκεκριμένο κομμάτι DNA σε ανθρώπινα κύτταρα και το αντικατέστησαν με ένα άλλο.
Τον ίδιο μήνα, ξεχωριστές ομάδες επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και στο Ινστιτούτο Broad ανέφεραν παρόμοια επιτυχία με το εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων. Ένα επιστημονικό ξέσπασμα ξεκίνησε και τα τελευταία δύο χρόνια, οι ερευνητές πραγματοποίησαν εκατοντάδες πειράματα στο CRISPR. Τα αποτελέσματά τους υποδηλώνουν ότι η τεχνική μπορεί να αλλάξει θεμελιωδώς τόσο την ιατρική όσο και τη γεωργία.
Μερικοί επιστήμονες έχουν επιδιορθώσει το ελαττωματικό DNA σε ποντίκια, για παράδειγμα, θεραπεύοντάς τα από γενετικές διαταραχές. Οι επιστήμονες των φυτών χρησιμοποίησαν το CRISPR για να επεξεργαστούν γονίδια στις καλλιέργειες, αυξάνοντας τις ελπίδες ότι μπορούν να δημιουργήσουν καλύτερη προσφορά τροφίμων. Ορισμένοι ερευνητές προσπαθούν να ξαναγράψουν το γονιδίωμα των ελεφάντων, με απώτερο στόχο να δημιουργήσουν εκ νέου ένα μαλλί μαμούθ. Γράφοντας πέρυσι στο περιοδικό Reproductive Biology and Endocrinology , ο Motoko Araki και ο Tetsuya Ishii του Πανεπιστημίου Hokkaido στην Ιαπωνία προέβλεψαν ότι οι γιατροί θα μπορούν να χρησιμοποιήσουν το CRISPR για να αλλάξουν τα γονίδια των ανθρώπινων εμβρύων «στο άμεσο μέλλον».
Χάρη στην ταχύτητα της έρευνας CRISPR, οι διακρίσεις ήρθαν γρήγορα. Πέρυσι Επισκόπηση τεχνολογίας MIT αποκάλεσε το CRISPR «τη μεγαλύτερη ανακάλυψη βιοτεχνολογίας του αιώνα». Το Breakthrough Prize είναι μόνο ένα από τα πολλά σημαντικά βραβεία που έχει κερδίσει η Doudna τους τελευταίους μήνες για τη δουλειά της στο CRISPR. Το National Public Radio ανέφερε πρόσφατα ψίθυρους για ένα πιθανό Νόμπελ στο μέλλον της.
Ακόμη και η φαρμακοβιομηχανία, η οποία συχνά αργεί να αγκαλιάσει τις νέες επιστημονικές εξελίξεις, σπεύδει να μπει στη δράση. Νέες εταιρείες που αναπτύσσουν φάρμακα με βάση το CRISPR ανοίγουν τις πόρτες τους. Τον Ιανουάριο, ο φαρμακευτικός κολοσσός Novartis ανακοίνωσε ότι θα χρησιμοποιούσε την τεχνολογία CRISPR της Doudna για την έρευνά του στις θεραπείες του καρκίνου. Σχεδιάζει να επεξεργαστεί τα γονίδια των κυττάρων του ανοσοποιητικού συστήματος έτσι ώστε να επιτίθενται σε όγκους.
Αλλά μέσα σε όλα τα γκαλά με μαύρη γραβάτα και τις καταθέσεις διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, είναι εύκολο να παραβλέψουμε το πιο σημαντικό γεγονός για το CRISPR:Κανείς δεν το εφηύρε στην πραγματικότητα.
Η Doudna και άλλοι ερευνητές δεν έβγαλαν από τον αέρα τα μόρια που χρησιμοποιούν για την επεξεργασία γονιδίων. Στην πραγματικότητα, σκόνταψαν στα μόρια CRISPR στη φύση. Τα μικρόβια τα χρησιμοποιούν για να επεξεργαστούν το δικό τους DNA για εκατομμύρια χρόνια και σήμερα συνεχίζουν να το κάνουν σε όλο τον πλανήτη, από τον βυθό της θάλασσας μέχρι τις εσοχές του σώματός μας.
Μόλις αρχίσαμε να καταλαβαίνουμε πώς λειτουργεί το CRISPR στον φυσικό κόσμο. Τα μικρόβια το χρησιμοποιούν ως ένα εξελιγμένο ανοσοποιητικό σύστημα, επιτρέποντάς τους να μάθουν να αναγνωρίζουν τους εχθρούς τους. Τώρα οι επιστήμονες ανακαλύπτουν ότι τα μικρόβια χρησιμοποιούν το CRISPR και για άλλες εργασίες. Η φυσική ιστορία του CRISPR θέτει πολλά ερωτήματα στους επιστήμονες, για τα οποία δεν έχουν ακόμη πολύ καλές απαντήσεις. Αλλά υπόσχεται επίσης πολλά. Η Doudna και οι συνεργάτες της αξιοποίησαν έναν τύπο CRISPR, αλλά οι επιστήμονες βρίσκουν ένα τεράστιο θηριοτροφείο διαφορετικών τύπων. Η αξιοποίηση αυτής της ποικιλομορφίας θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο αποτελεσματική τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων ή να ανοίξει το δρόμο σε εφαρμογές που κανείς δεν έχει σκεφτεί ακόμη.
«Μπορείτε να φανταστείτε ότι πολλά εργαστήρια - συμπεριλαμβανομένου του δικού μας - εξετάζουν με προσοχή άλλες παραλλαγές και πώς λειτουργούν», είπε η Doudna. "Μείνετε συντονισμένοι λοιπόν."
Ενα επαναλαμβανόμενο μυστήριο
Οι επιστήμονες που ανακάλυψαν το CRISPR δεν είχαν τρόπο να γνωρίζουν ότι είχαν ανακαλύψει κάτι τόσο επαναστατικό. Δεν κατάλαβαν καν τι βρήκαν. Το 1987, ο Yoshizumi Ishino και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Οσάκα στην Ιαπωνία δημοσίευσαν την αλληλουχία ενός γονιδίου που ονομάζεται iap που ανήκουν στο μικρόβιο του εντέρου E. coli . Για να κατανοήσουν καλύτερα πώς λειτουργούσε το γονίδιο, οι επιστήμονες ανέλυσαν επίσης την αλληλουχία μέρους του DNA που το περιβάλλει. Ήλπιζαν να βρουν σημεία όπου προσγειώθηκαν οι πρωτεΐνες, στρέφοντας το iap ανοιχτό και κλειστό. Αλλά αντί για διακόπτη, οι επιστήμονες βρήκαν κάτι ακατανόητο.
Κοντά στο iap γονίδιο περιέχει πέντε πανομοιότυπα τμήματα DNA. Το DNA αποτελείται από δομικά στοιχεία που ονομάζονται βάσεις και τα πέντε τμήματα αποτελούνταν το καθένα από τις ίδιες 29 βάσεις. Αυτές οι επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες διαχωρίστηκαν η μία από την άλλη με μπλοκ DNA 32 βάσεων, που ονομάζονται διαχωριστές. Σε αντίθεση με τις επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες, κάθε ένα από τα διαχωριστικά είχε μια μοναδική ακολουθία.
Αυτό το περίεργο γενετικό σάντουιτς δεν έμοιαζε με τίποτα που είχαν βρει πριν οι βιολόγοι. Όταν οι Ιάπωνες ερευνητές δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους, δεν μπορούσαν παρά να σηκώσουν τους ώμους τους. «Η βιολογική σημασία αυτών των αλληλουχιών δεν είναι γνωστή», έγραψαν.
Ήταν δύσκολο να γνωρίζουμε εκείνη την εποχή εάν οι ακολουθίες ήταν μοναδικές για τον E. coli , επειδή οι μικροβιολόγοι είχαν μόνο ακατέργαστες τεχνικές για την αποκρυπτογράφηση του DNA. Αλλά στη δεκαετία του 1990, η τεχνολογική πρόοδος τους επέτρεψε να επιταχύνουν την αλληλουχία τους. Μέχρι το τέλος της δεκαετίας, οι μικροβιολόγοι θα μπορούσαν να συλλέξουν θαλασσινό νερό ή χώμα και να αλληλουχήσουν γρήγορα μεγάλο μέρος του DNA στο δείγμα. Αυτή η τεχνική - που ονομάζεται μεταγονιδιωματική - αποκάλυψε αυτά τα παράξενα γενετικά σάντουιτς σε έναν εκπληκτικό αριθμό ειδών μικροβίων. Έγιναν τόσο κοινά που οι επιστήμονες χρειάζονταν ένα όνομα για να μιλήσουν γι 'αυτά, ακόμα κι αν δεν ήξεραν ακόμα σε τι χρησιμεύουν οι ακολουθίες. Το 2002, ο Ruud Jansen από το Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης στην Ολλανδία και οι συνεργάτες του ονόμασαν αυτά τα σάντουιτς "ομαδοποιημένα τακτικά διακεκομμένα σύντομες παλινδρομικές επαναλήψεις" - CRISPR για συντομία.
Η ομάδα του Jansen παρατήρησε κάτι άλλο σχετικά με τις αλληλουχίες CRISPR:Συνοδευόταν πάντα από μια συλλογή γονιδίων κοντά. Ονόμασαν αυτά τα γονίδια Cas γονίδια, για γονίδια που σχετίζονται με το CRISPR. Τα γονίδια κωδικοποιούσαν ένζυμα που μπορούσαν να κόψουν το DNA, αλλά κανείς δεν μπορούσε να πει γιατί το έκαναν ή γιατί κάθονταν πάντα δίπλα στην αλληλουχία CRISPR.
Τρία χρόνια αργότερα, τρεις ομάδες επιστημόνων παρατήρησαν ανεξάρτητα κάτι περίεργο σχετικά με τους αποστάτες CRISPR. Έμοιαζαν πολύ με το DNA των ιών.
«Και μετά χτύπησε όλο το πράγμα», είπε ο Ευγένιος Κούνιν.
Εκείνη την εποχή, ο Koonin, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Εθνικό Κέντρο Πληροφοριών Βιοτεχνολογίας στην Bethesda, Md., είχε προβληματιστεί σχετικά με το CRISPR και το Cas γονίδια για μερικά χρόνια. Μόλις έμαθε για την ανακάλυψη κομματιών DNA ιού σε διαχωριστές CRISPR, συνειδητοποίησε ότι τα μικρόβια χρησιμοποιούσαν το CRISPR ως όπλο κατά των ιών.
Ο Koonin γνώριζε ότι τα μικρόβια δεν είναι παθητικά θύματα επιθέσεων από ιούς. Έχουν πολλές γραμμές άμυνας. Ο Koonin σκέφτηκε ότι το CRISPR και το Cas τα ένζυμα παρέχουν ένα ακόμη. Στην υπόθεση του Koonin, τα βακτήρια χρησιμοποιούν Cas ένζυμα για να αρπάξουν θραύσματα ιικού DNA. Στη συνέχεια εισάγουν τα θραύσματα του ιού στις δικές τους αλληλουχίες CRISPR. Αργότερα, όταν εμφανιστεί ένας άλλος ιός, τα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν την ακολουθία CRISPR ως φύλλο εξαπάτησης για να αναγνωρίσουν τον εισβολέα.
Οι επιστήμονες δεν γνώριζαν αρκετά για τη λειτουργία του CRISPR και του Cas ένζυμα ώστε ο Koonin να κάνει μια λεπτομερή υπόθεση. Αλλά η σκέψη του ήταν αρκετά προκλητική για να τη δοκιμάσει ένας μικροβιολόγος ονόματι Rodolphe Barrangou. Για τον Barrangou, η ιδέα του Koonin δεν ήταν απλώς συναρπαστική, αλλά δυνητικά μια τεράστια προσφορά για τον εργοδότη του εκείνη την εποχή, τον κατασκευαστή γιαουρτιών Danisco. Ο Danisco εξαρτιόταν από βακτήρια για τη μετατροπή του γάλακτος σε γιαούρτι και μερικές φορές ολόκληρες καλλιέργειες χάνονταν από εστίες ιών που σκότωναν τα βακτήρια. Τώρα ο Koonin πρότεινε ότι τα βακτήρια θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το CRISPR ως όπλο εναντίον αυτών των εχθρών.
Για να ελέγξουν την υπόθεση του Koonin, ο Barrangou και οι συνεργάτες του μόλυναν το μικρόβιο που ζυμώνει το γάλα Streptococcus thermophilus με δύο στελέχη ιών. Οι ιοί σκότωσαν πολλά από τα βακτήρια, αλλά μερικά επέζησαν. Όταν αυτά τα ανθεκτικά βακτήρια πολλαπλασιάστηκαν, οι απόγονοί τους αποδείχτηκαν επίσης ανθεκτικοί. Είχε συμβεί κάποια γενετική αλλαγή. Ο Barrangou και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι τα βακτήρια είχαν βάλει θραύσματα DNA από τους δύο ιούς στους διαχωριστές τους. Όταν οι επιστήμονες έκοψαν τα νέα διαχωριστικά, τα βακτήρια έχασαν την αντοχή τους.
Ο Barrangou, τώρα αναπληρωτής καθηγητής στο North Carolina State University, είπε ότι αυτή η ανακάλυψη οδήγησε πολλούς κατασκευαστές να επιλέξουν προσαρμοσμένες αλληλουχίες CRISPR στις καλλιέργειές τους, έτσι ώστε τα βακτήρια να μπορούν να αντέξουν τα ξεσπάσματα ιών. "Εάν έχετε φάει γιαούρτι ή τυρί, το πιθανότερο είναι ότι έχετε φάει κύτταρα με CRISPR", είπε.
Αποκοπή και επικόλληση
Καθώς η CRISPR άρχισε να εγκαταλείπει τα μυστικά της, η Ντούντνα άρχισε να περιεργάζεται. Είχε ήδη φτιάξει το όνομά της ως ειδικός στο RNA, μονόκλωνη ξαδέρφη του DNA. Αρχικά, οι επιστήμονες είχαν δει την κύρια δουλειά του RNA ως αγγελιοφόρος. Τα κύτταρα θα έκαναν ένα αντίγραφο ενός γονιδίου χρησιμοποιώντας RNA και στη συνέχεια θα χρησιμοποιούσαν αυτό το αγγελιαφόρο RNA ως πρότυπο για την κατασκευή μιας πρωτεΐνης. Αλλά ο Doudna και άλλοι επιστήμονες φώτισαν πολλές άλλες εργασίες που μπορεί να κάνει το RNA, όπως το να ενεργεί ως αισθητήρες ή να ελέγχει τη δραστηριότητα των γονιδίων.
Το 2007, ο Blake Wiedenheft εντάχθηκε στο εργαστήριο της Doudna ως μεταδιδακτορικός ερευνητής, πρόθυμος να μελετήσει τη δομή του Cas ένζυμα για να καταλάβουμε πώς λειτουργούσαν. Η Doudna συμφώνησε με το σχέδιο - όχι επειδή πίστευε ότι το CRISPR είχε κάποια πρακτική αξία, αλλά απλώς επειδή πίστευε ότι η χημεία μπορεί να είναι ωραία. "Δεν προσπαθείτε να φτάσετε σε έναν συγκεκριμένο στόχο, εκτός από την κατανόηση", είπε.
Καθώς η Wiedenheft, η Doudna και οι συνάδελφοί τους ανακάλυψαν τη δομή του Cas ένζυμα, άρχισαν να βλέπουν πώς τα μόρια συνεργάζονταν ως σύστημα. Όταν ένας ιός εισβάλλει σε ένα μικρόβιο, το κύτταρο-ξενιστής αρπάζει λίγο από το γενετικό υλικό του ιού, κόβει το δικό του DNA και εισάγει το κομμάτι του DNA του ιού σε ένα διαχωριστικό.
Καθώς η περιοχή CRISPR γεμίζει με DNA ιού, γίνεται μια μοριακή πιο περιζήτητη γκαλερί, που αντιπροσωπεύει τους εχθρούς που έχει συναντήσει το μικρόβιο. Το μικρόβιο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει αυτό το ιικό DNA για να μετατρέψει Cas ένζυμα σε όπλα με καθοδήγηση ακριβείας. Το μικρόβιο αντιγράφει το γενετικό υλικό σε κάθε διαχωριστή σε ένα μόριο RNA. Περίπτωση τα ένζυμα στη συνέχεια καταλαμβάνουν ένα από τα μόρια RNA και το τοποθετούν. Μαζί, το ιικό RNA και το Cas τα ένζυμα παρασύρονται μέσα από το κύτταρο. Εάν συναντήσουν γενετικό υλικό από έναν ιό που ταιριάζει με το CRISPR RNA, το RNA ασφαλίζει σφιχτά. Το Cas τα ένζυμα στη συνέχεια κόβουν το DNA στα δύο, αποτρέποντας την αναπαραγωγή του ιού.
Καθώς αναδύθηκε η βιολογία του CRISPR, άρχισε να κάνει άλλες μικροβιακές άμυνες να φαίνονται εντελώς πρωτόγονες. Χρησιμοποιώντας το CRISPR, τα μικρόβια θα μπορούσαν, στην πραγματικότητα, να προγραμματίσουν τα ένζυμα τους για να αναζητήσουν οποιαδήποτε σύντομη αλληλουχία DNA και να την επιτεθούν αποκλειστικά.
«Μόλις το καταλάβαμε ως ένα προγραμματιζόμενο ένζυμο κοπής DNA, υπήρξε μια ενδιαφέρουσα μετάβαση», είπε η Ντούντα. Αυτή και οι συνάδελφοί της συνειδητοποίησαν ότι το CRISPR μπορεί να έχει μια πολύ πρακτική χρήση. Η Doudna θυμάται ότι σκέφτηκε, "Θεέ μου, αυτό θα μπορούσε να είναι ένα εργαλείο."
Δεν ήταν η πρώτη φορά που ένας επιστήμονας δανείστηκε ένα κόλπο από μικρόβια για να κατασκευάσει ένα εργαλείο. Μερικά μικρόβια αμύνονται από την εισβολή χρησιμοποιώντας μόρια γνωστά ως ένζυμα περιορισμού. Τα ένζυμα τεμαχίζουν οποιοδήποτε DNA που δεν προστατεύεται από μοριακές ασπίδες. Τα μικρόβια θωρακίζουν τα δικά τους γονίδια και στη συνέχεια επιτίθενται στο γυμνό DNA των ιών και άλλων παρασίτων. Στη δεκαετία του 1970, οι μοριακοί βιολόγοι ανακάλυψαν πώς να χρησιμοποιούν περιοριστικά ένζυμα για να κόψουν το DNA, γεννώντας τη σύγχρονη βιομηχανία βιοτεχνολογίας.
Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, η γενετική μηχανική βελτιώθηκε τρομερά, αλλά δεν μπορούσε να ξεφύγει από ένα θεμελιώδες μειονέκτημα:τα περιοριστικά ένζυμα δεν εξελίχθηκαν για να κάνουν ακριβείς τομές - μόνο για να τεμαχίσουν ξένο DNA. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες που χρησιμοποιούσαν περιοριστικά ένζυμα για τη βιοτεχνολογία είχαν ελάχιστο έλεγχο ως προς το πού κόβουν τα ένζυμά τους το DNA.
Το CRISPR-Cas Το σύστημα, συνειδητοποίησαν η Doudna και οι συνάδελφοί της, είχε ήδη εξελιχθεί για να ασκεί ακριβώς αυτό το είδος ελέγχου.
Για να δημιουργήσουν ένα εργαλείο κοπής DNA, η Doudna και οι συνεργάτες της επέλεξαν το CRISPR-Cas σύστημα από Streptococcus pyogenes , τα βακτήρια που προκαλούν τη στρεπτόκοκκο λαιμό. Ήταν ένα σύστημα που είχαν ήδη κατανοήσει αρκετά καλά, έχοντας επεξεργαστεί τη λειτουργία του κύριου ενζύμου του, που ονομάζεται Cas 9. Η Doudna και οι συνάδελφοί της κατάλαβαν πώς να προμηθεύουν το Cas 9 με ένα μόριο RNA που ταίριαζε με μια αλληλουχία DNA που ήθελαν να κόψουν. Το μόριο RNA στη συνέχεια καθοδήγησε το Cas 9 κατά μήκος του DNA μέχρι τη θέση στόχο και στη συνέχεια το ένζυμο έκανε την τομή του.
Χρήση δύο Cas Με 9 ένζυμα, οι επιστήμονες μπορούσαν να φτιάξουν ένα ζευγάρι αποκόμματα, κόβοντας όποιο τμήμα DNA ήθελαν. Στη συνέχεια θα μπορούσαν να πείσουν ένα κύτταρο να συρράψει ένα νέο γονίδιο στον ανοιχτό χώρο. Η Doudna και οι συνάδελφοί της επινόησαν έτσι μια βιολογική εκδοχή του find-and-replace — μια που θα μπορούσε να λειτουργήσει σχεδόν σε οποιοδήποτε είδος επέλεγαν να εργαστούν.
Όσο σημαντικά κι αν ήταν αυτά τα αποτελέσματα, οι μικροβιολόγοι αντιμετώπιζαν ακόμη πιο βαθιές επιπτώσεις του CRISPR. Τους έδειξε ότι τα μικρόβια είχαν δυνατότητες που κανείς δεν είχε φανταστεί πριν.
Πριν από την ανακάλυψη του CRISPR, όλες οι άμυνες που ήταν γνωστό ότι χρησιμοποιούν τα μικρόβια έναντι των ιών ήταν απλές στρατηγικές που ταιριάζουν σε όλους. Τα ένζυμα περιορισμού, για παράδειγμα, θα καταστρέψουν οποιοδήποτε κομμάτι απροστάτευτου DNA. Οι επιστήμονες αναφέρονται σε αυτό το στυλ άμυνας ως έμφυτη ανοσία. Έχουμε επίσης έμφυτη ανοσία, αλλά επιπλέον, χρησιμοποιούμε επίσης ένα εντελώς διαφορετικό ανοσοποιητικό σύστημα για την καταπολέμηση παθογόνων:ένα ανοσοποιητικό σύστημα που μαθαίνει για τους εχθρούς μας.
Αυτό το λεγόμενο προσαρμοστικό ανοσοποιητικό σύστημα οργανώνεται γύρω από ένα ειδικό σύνολο ανοσοκυττάρων που καταπίνουν παθογόνα και στη συνέχεια παρουσιάζουν θραύσματά τους, που ονομάζονται αντιγόνα, σε άλλα κύτταρα του ανοσοποιητικού. Εάν ένα κύτταρο του ανοσοποιητικού συνδέεται στενά με ένα αντιγόνο, το κύτταρο πολλαπλασιάζεται. Η διαδικασία της διαίρεσης προσθέτει μερικές τυχαίες αλλαγές στα γονίδια του υποδοχέα αντιγόνου του κυττάρου. Σε λίγες περιπτώσεις, οι αλλαγές μεταβάλλουν τον υποδοχέα με τρόπο που τον αφήνουν να πιάσει το αντιγόνο ακόμα πιο σφιχτά. Τα κύτταρα του ανοσοποιητικού με τον βελτιωμένο υποδοχέα στη συνέχεια πολλαπλασιάζονται ακόμη περισσότερο.
Αυτός ο κύκλος έχει ως αποτέλεσμα μια στρατιά ανοσοκυττάρων με υποδοχείς που μπορούν να συνδεθούν γρήγορα και σφιχτά σε έναν συγκεκριμένο τύπο παθογόνου, μετατρέποντάς τα σε ακριβείς δολοφόνους. Άλλα ανοσοκύτταρα παράγουν αντισώματα που μπορούν επίσης να αρπάξουν τα αντιγόνα και να βοηθήσουν στη θανάτωση του παθογόνου. Χρειάζονται μερικές ημέρες για το προσαρμοστικό ανοσοποιητικό σύστημα να μάθει να αναγνωρίζει τον ιό της ιλαράς, για παράδειγμα, και να τον εξαφανίζει. Αλλά μόλις τελειώσει η μόλυνση, μπορούμε να κρατήσουμε αυτές τις ανοσολογικές μνήμες. Μερικά ανοσοκύτταρα προσαρμοσμένα στην ιλαρά μένουν μαζί μας για όλη μας τη ζωή, έτοιμα να επιτεθούν ξανά.
Το CRISPR, συνειδητοποίησαν οι μικροβιολόγοι, είναι επίσης ένα προσαρμοστικό ανοσοποιητικό σύστημα. Επιτρέπει στα μικρόβια να μάθουν τις υπογραφές νέων ιών και να τους θυμούνται. Και ενώ χρειαζόμαστε ένα σύνθετο δίκτυο διαφορετικών τύπων κυττάρων και σημάτων για να μάθουμε να αναγνωρίζουμε παθογόνα, ένα μονοκύτταρο μικρόβιο διαθέτει όλο τον απαραίτητο εξοπλισμό για να μάθει μόνο του το ίδιο μάθημα.
Πώς όμως τα μικρόβια ανέπτυξαν αυτές τις ικανότητες; Από τότε που οι μικροβιολόγοι άρχισαν να ανακαλύπτουν το CRISPR-Cas συστήματα σε διαφορετικά είδη, ο Koonin και οι συνεργάτες του ανακατασκευάζουν την εξέλιξη των συστημάτων. CRISPR-Cas Τα συστήματα χρησιμοποιούν έναν τεράστιο αριθμό διαφορετικών ενζύμων, αλλά όλα έχουν ένα κοινό ένζυμο, που ονομάζεται Cas 1. Η δουλειά αυτού του καθολικού ενζύμου είναι να αρπάξει το DNA του εισερχόμενου ιού και να το εισάγει σε διαχωριστές CRISPR. Πρόσφατα, ο Koonin και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ποια μπορεί να είναι η προέλευση του Cas 1 ένζυμα.
Μαζί με τα δικά τους γονίδια, τα μικρόβια φέρουν τμήματα DNA που ονομάζονται κινητά στοιχεία και λειτουργούν σαν παράσιτα. Τα κινητά στοιχεία περιέχουν γονίδια για ένζυμα που υπάρχουν αποκλειστικά για να δημιουργήσουν νέα αντίγραφα του δικού τους DNA, να ανοίξουν το γονιδίωμα του ξενιστή τους και να εισάγουν το νέο αντίγραφο. Μερικές φορές, τα στοιχεία κινητής τηλεφωνίας μπορούν να μεταπηδήσουν από τον έναν κεντρικό υπολογιστή στον άλλο, είτε κολλώντας έναν ιό είτε με άλλα μέσα, και να εξαπλωθούν μέσω του γονιδιώματος του νέου ξενιστή.
Ο Koonin και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι μια ομάδα κινητών στοιχείων, που ονομάζονται casposons, παράγει ένζυμα που είναι σχεδόν πανομοιότυπα με το Cas 1. Σε μια νέα εργασία στο Nature Reviews Genetics , Koonin και Mart Krupovic του Ινστιτούτου Παστέρ στο Παρίσι υποστηρίζουν ότι το CRISPR-Cas Το σύστημα ξεκίνησε όταν οι μεταλλάξεις μετέτρεψαν τα κασπόνια από εχθρούς σε φίλους. Τα ένζυμα κοπής DNA τους εξημερώθηκαν, αναλαμβάνοντας μια νέα λειτουργία:να αποθηκεύουν το DNA του ιού που έχει συλληφθεί ως μέρος μιας ανοσολογικής άμυνας.
Ενώ το CRISPR μπορεί να είχε μια ενιαία προέλευση, έχει ανθίσει σε μια τεράστια ποικιλία μορίων. Ο Koonin είναι πεπεισμένος ότι οι ιοί είναι υπεύθυνοι για αυτό. Μόλις αντιμετώπισαν την ισχυρή, ακριβή άμυνα του CRISPR, οι ιοί εξέλιξαν τις υπεκφυγές. Τα γονίδιά τους άλλαξαν αλληλουχία, έτσι ώστε το CRISPR να μην μπορεί να κολλήσει εύκολα πάνω τους. Και οι ιοί εξέλιξαν επίσης μόρια που θα μπορούσαν να μπλοκάρουν το Cas ένζυμα. Τα μικρόβια ανταποκρίθηκαν εξελισσόμενοι με τη σειρά τους. Απέκτησαν νέες στρατηγικές για τη χρήση του CRISPR που οι ιοί δεν μπορούσαν να καταπολεμήσουν. Κατά τη διάρκεια πολλών χιλιάδων χρόνων, με άλλα λόγια, η εξέλιξη συμπεριφέρθηκε σαν ένα φυσικό εργαστήριο, δημιουργώντας νέες συνταγές για την αλλαγή του DNA.
Η κρυμμένη αλήθεια
Για τον Konstantin Severinov, ο οποίος έχει κοινά ραντεβού στο Πανεπιστήμιο Rutgers και στο Skolkovo Institute of Science and Technology στη Ρωσία, αυτές οι εξηγήσεις για το CRISPR μπορεί να αποδειχθούν αληθινές, αλλά μετά βίας αρχίζουν να εξηγούν το πλήρες μυστήριο του. Στην πραγματικότητα, ο Σεβερίνοφ αμφισβητεί εάν η καταπολέμηση των ιών είναι η κύρια λειτουργία του CRISPR. "Η λειτουργία του ανοσοποιητικού μπορεί να είναι μια κόκκινη ρέγγα", είπε.
Οι αμφιβολίες του Σεβερίνοφ πηγάζουν από την έρευνά του για τους αποστάτες του E. coli . Αυτός και άλλοι ερευνητές έχουν συγκεντρώσει μια βάση δεδομένων με δεκάδες χιλιάδες E. coli διαχωριστές, αλλά μόνο λίγα από αυτά ταιριάζουν με οποιονδήποτε ιό που είναι γνωστό ότι μολύνει το E. coli . Δεν μπορείτε να κατηγορήσετε αυτή την έλλειψη στην άγνοιά μας για το E. coli ή τους ιούς της, υποστηρίζει ο Σεβερίνοφ, επειδή ήταν τα άλογα της μοριακής βιολογίας για έναν αιώνα. "Αυτό είναι κάπως συγκλονιστικό", είπε.
Είναι πιθανό τα διαχωριστικά να προέρχονται από ιούς, αλλά από ιούς που εξαφανίστηκαν πριν από χιλιάδες χρόνια. Τα μικρόβια συνέχιζαν να κρατούν τα διαχωριστικά ακόμα και όταν δεν είχαν πλέον να αντιμετωπίσουν αυτούς τους εχθρούς. Αντίθετα, χρησιμοποίησαν το CRISPR για άλλες εργασίες. Ο Σεβερίνοφ εικάζει ότι μια ακολουθία CRISPR μπορεί να λειτουργήσει ως ένα είδος γενετικού γραμμικού κώδικα. Τα βακτήρια που μοιράζονται τον ίδιο γραμμωτό κώδικα θα μπορούσαν να αναγνωρίζουν το ένα το άλλο ως συγγενείς και να συνεργάζονται, ενώ παράλληλα καταπολεμούν άσχετους πληθυσμούς βακτηρίων.
Αλλά ο Σεβερίνοφ δεν θα εκπλαγεί αν η CRISPR κάνει και άλλες δουλειές. Πρόσφατα πειράματα έδειξαν ότι ορισμένα βακτήρια χρησιμοποιούν το CRISPR για να φιμώσουν τα δικά τους γονίδια, αντί να αναζητήσουν τα γονίδια των εχθρών. Σιωπώντας τα γονίδιά τους, τα βακτήρια σταματούν να παράγουν μόρια στην επιφάνειά τους που ανιχνεύονται εύκολα από το ανοσοποιητικό μας σύστημα. Χωρίς αυτό το σύστημα απόκρυψης CRISPR, τα βακτήρια θα φυσούσαν το κάλυμμά τους και θα σκοτωθούν.
«Πρόκειται για ένα αρκετά ευέλικτο σύστημα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικά πράγματα», είπε ο Σεβερίνοφ, και η ισορροπία όλων αυτών των πραγμάτων μπορεί να διαφέρει από σύστημα σε σύστημα και από είδος σε είδος.
Εάν οι επιστήμονες μπορέσουν να κατανοήσουν καλύτερα τον τρόπο λειτουργίας του CRISPR στη φύση, ενδέχεται να συγκεντρώσουν περισσότερα από τα πρώτα συστατικά για τεχνολογικές καινοτομίες. Για να δημιουργήσουν έναν νέο τρόπο επεξεργασίας DNA, η Doudna και οι συνεργάτες της εκμεταλλεύτηκαν το CRISPR-Cas σύστημα από ένα μόνο είδος βακτηρίων, τον Streptococcus pyogenes . Δεν υπάρχει λόγος να υποθέσουμε ότι είναι το καλύτερο σύστημα για αυτήν την εφαρμογή. Στην Editas, μια εταιρεία με έδρα το Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης, οι επιστήμονες διερεύνησαν το Cas 9 ένζυμο που παράγεται από ένα άλλο είδος βακτηρίων, τον Staphylococcus aureus . Τον Ιανουάριο, οι επιστήμονες της Editas ανέφεραν ότι είναι εξίσου αποτελεσματικό στην κοπή DNA με το Cas 9 από Streptococcus pyogenes . Ωστόσο, έχει επίσης ορισμένα πιθανά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένου του μικρού του μεγέθους, το οποίο μπορεί να διευκολύνει την παράδοση σε κελιά.
Για τον Koonin, αυτές οι ανακαλύψεις είναι απλώς μικρά βήματα στον ωκεανό της ποικιλομορφίας του CRISPR. Οι επιστήμονες επεξεργάζονται τώρα τη δομή των απομακρυσμένων εκδόσεων του Cas 9 που φαίνεται να συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά από αυτά που γνωρίζουμε τώρα. «Ποιος ξέρει αν αυτό το πράγμα θα μπορούσε να γίνει ακόμα καλύτερο εργαλείο;» είπε ο Κουνίν.
Και καθώς οι επιστήμονες ανακαλύπτουν περισσότερες εργασίες που ολοκληρώνει το CRISPR στη φύση, μπορεί να είναι σε θέση να μιμηθούν και αυτές τις λειτουργίες. Η Doudna είναι περίεργη να χρησιμοποιήσει το CRISPR ως διαγνωστικό εργαλείο, αναζητώντας κύτταρα για καρκινικές μεταλλάξεις, για παράδειγμα. «Είναι αναζήτηση και ανίχνευση, όχι αναζήτηση και καταστροφή», είπε. Αλλά έχοντας εκπλαγεί από το CRISPR στο παρελθόν, η Doudna αναμένει ότι τα μεγαλύτερα οφέλη από αυτά τα μόρια θα μας εκπλήξουν ξανά. «Σε κάνει να αναρωτιέσαι τι άλλο υπάρχει εκεί έξω», είπε.
