Neustavljiva privlačnost genskega šahiranja

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. Aprila 2015 so kitajski znanstveniki javnost obvestili, da jim je uspelo spremeniti genski zapis v človeških zarodkih, tako da niso bili več nosilci dedne krvne bolezni, imenovane beta talasemija.

V raziskavi, ki jo je odobrila kitajska etična komisija, so okvarjeni gen v zarodkih popravili do te mere, da ni več povzročal težav. Ker pa je šlo pri raziskavi za neposredno spreminjanje genskega 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.

Bolj kot zaplet zaradi kršenja načelnega stališča raziskovalcev s področja genetike, da se vsaj za zdaj v genski zapis človeških zarodkov ne posega, saj bi to lahko pomenilo nepredvidljive posledice za potomce, če bi se (gensko 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 močno 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 nenavadnega: našli so 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 med seboj razlikovali. Shematično lahko najdeno zaporedje opišemo kot ABACADAEA, pri čemer predstavlja A ponavljajoči se del, deli B, C, D in E pa so medsebojno različni.

Česa podobnega pred tem še niso opazili. Ko so enake serije zapisov odkrili še pri drugih vrstah bakterij, so to nenavadno zaporedje DNK poimenovali CRISPR, kar je okrajšava za clustered regularly interspaced short palindromic repeats, slovensko gruče enakomerno razmaknjenih kratkih palindromnih ponovitev. Kadar znanstveniki enak nenavaden pojav opazijo pri različnih bioloških vrstah, ki v naravi obstajajo že dolgo časa, posumijo, da opravlja kako funkcijo, ki je še ne poznamo. Leta 2005 so imeli na voljo že dovolj podatkov o genomih različnih živih bitjih, da so se lahko lotili primerjalne študije. Z raziskavo so ugotovili, da so variabilni deli v zaporedjih Crispr v bistvu deli virusov DNK.

Biolog Eugene Koonin je predlagal hipotezo, da je Crispr ​v resnici del obrambnega sistema, ki so ga bakterije razvile za boj proti virusom. Pri sistemu Crispr naj bi uspelo bakterijam shraniti dele 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 prepoznavanje sovražnika.

Ko se virus pritrdi na celico, sprosti v njeno notranjost svoje gene. Celica se pred vdorom tujih genov brani s posebnimi encimi, ki poskušajo uničiti napadalce. Vendar takšna obramba navadno ni pretirano uspešna. Celica napadu večinoma podleže, le redko se ji uspe ubraniti in preživeti. V teh redkih primerih pošlje v akcijo nove encime, ki napadalčevo virusno DNK razgradijo na majhne dele in jih shranijo kot variabilne dele v zaporedju Crispr. Ko tako celico naslednjič napade enak virus, je celica pripravljena na obrambo. V boj lahko pošlje posebne enote, ki imajo pri sebi sliko nasprotnika z navodilom, naj ga uničijo.



Podatki, shranjeni v zaporedja Crispr, postanejo s pomočjo encimov Cas, ki znajo prerezati dvojno vijačnico DNK, zelo učinkovito orožje. Na temelju shranjenih 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 molekulo DNK, na katero naleti. Če se zaporedje RNK na encimu ne ujema z najdeno DNK, se ne bo zgodilo nič in encim bo iskal naprej. Ko pa naleti na DNK, ki se natančno prilega v encimu shranjeni RNK, bo najdeno DNK razsekal in s tem uničil.

Univerzalne molekularne škarje

Leta 2012 se je biokemičarki Jennifer Doudna porodila ideja, da bi metodo bakterijske imunske obrambe proti virusom uporabila kot univerzalno orodje za urejanje genskega zapisa v katerikoli celici. S sodelavci je ugotovila, da je sistem celične obrambe mogoče prilagoditi tako, da deluje kot nekakšne molekularne škarje, s katerimi lahko izvajajo zelo natančne kirurške posege v genskem zapisu.

Predlagala je, da bi namesto tega, da encimi Cas9 iščejo in napadajo viruse, zapis RNK prilagodili tako, da bi encimi v celici, ki ni nujno bakterijska, poiskali in uničili denimo okvarjen del gena, ki povzroča bolezen. Hitro se je izkazalo, da omogoča sistem Crispr-Cas9 bistveno bolj natančno, lažje izvedljivo in predvsem cenejšo metodo za urejanje in spreminjanje genskega zapisa v celicah, zato velja za eno najpomembnejših znanstvenih spoznanj zadnjih desetletij.

Konec preteklega leta je v ZDA šolani kitajski genetik He Jiankui javnost obvestil, da je dvojčicama Lulu in Nani z orodjem Crispr-Cas9 izključil gen CCR5, tako da naj bi bili imuni za okužbo z virusom hiv. Deklici sta bili ob rojstvu 8. novembra 2018 menda zdravi, a ker so dolgoročne posledice takšnega posega na zarodku nepredvidljive, je znanstvena skupnost dejanje obsodila kot neodgovorno, znanstvenika pa so kitajske oblasti suspendirale, saj naj ne bi kršil le etičnih smernic, ampak tudi kitajske zakone.

––––––
Sašo Dolenc je urednik Kvarkadabre, spletnega časopisa za popularizacijo znanosti.