Wstępniak na nowy tydzień: nadchodzi era biohakera. Co zrobisz z… DNA 2.0?

Strona głównaWstępniak na nowy tydzień: nadchodzi era biohakera. Co zrobisz z… DNA 2.0?
21.12.2015 15:55
Wstępniak na nowy tydzień: nadchodzi era biohakera. Co zrobisz z… DNA 2.0?
bEadyhpO

Zamiast pisać dla Was w zeszłym tygodniu wstępniaka,intensywnie chorowałem na klasyczną grypę. Informatyk mógłbypowiedzieć, że uruchomiony na hoście wrogi kod próbował przejąćjak największą ilość zasobów gospodarza, a tenże, wykorzystującnagromadzone przez setki milionów lat ewolucji życia na tejplanecie techniki, robił co mógł, by opanować sytuację izneutralizować szkodnika. Chorowanie na grypę dało czas, bypoczytać trochę o tym, co interesującego dzieje się w świeciebiologii molekularnej i biotechnologii. Trochę w tej kwestii„wypadłem z obiegu”, a tymczasem wygląda na to, że stoimy wobliczu nowej rewolucji naukowo-technicznej, która dosłownie możezmienić nasze życie. W tym roku pojawiły się narzędzia, zapomocą których w warunkach wręcz domowych możliwe będziepraktycznie dowolne modyfikowanie organizmów żywych – i jużwidać że bioetycy są przerażeni, wzywając do powołaniamiędzynarodowych ciał, które ochronią nas przed biohakeramitworzącymi organizmy, o których w Księdze Rodzaju nie ma anisłowa. Panie i panowie, Crispr/Cas9 zapowiada się na najważniejsząz nowych technologii, jakie pojawiły się dotąd w tym stuleciu,osiągnięcie które będziemy wymieniać jednym tchem obok radia,bomby atomowej, komputera i Internetu.

bEadyhph

Zacznę od krótkiego wprowadzenia w to nowe narzędzie, o którymw tym roku opublikowano już kilkaset naukowych artykułów, i którewydaje się pozwalać na wszystko to, co obiecywało nam (czy teżczym straszyło nas) science-fiction – designerskie organizmy,targetowane bronie biologiczne, hegemonizujące mutanty, uniwersalneleki, sterowaną ewolucję i eugenikę. W największym uproszczeniu,Crispr/Cas9 pozwala na szybkie i tanie przenoszenie genów międzypraktycznie dowolnymi organizmami. Już dziś skutecznie wykorzystanotę metodę do zablokowania namnażania się komórek rakowych,zniszczenia wirusa odpowiedzialnego za wirusowe zapalenie wątrobytypu C, odwrócenia mutacji powodujących ślepotę, stworzenia zbożaodpornego na zabójcze pleśnie, zaprojektowania drożdży, któreprzekształcają roślinną materię w czysty alkohol etylowy, anawet złamania Praw Mendla przekazywania cech dziedzicznych.

Zaczęło się od odkrycia japońskich biologów z 1987 roku.Wtedy to w genomie bakterii E. Coli zidentyfikowano swoiste sekwencjegenetyczne, które nazwano Clustered Regularly Interspaced ShortPalindromic Repeats (CRISPR) – po polsku „zgrupowane, regularnieprzerywane, krótkie powtórzenia palindromiczne”. Wyróżniająsię obecnością krótkich, palindromicznych (a więc przynoszącychtaki sam wynik niezależnie od kierunku odczytu) sekwencji,oddzielonych od siebie przerwami lub łącznikami. Przed takąsekwencją występuje specjalna sekwencja „liderowa”,funkcjonująca jako promotor genetycznej transkrypcji. Jeszczewcześniej zaś dostajemy grupę genów, kodującą białka CAS(CRISPR Associated Sequence) wykorzystywane w głównym zastosowaniuCRISPR.

Funkcjonowanie CRISPR w bakteriach (źródło: NEB expressions Issue I)
Funkcjonowanie CRISPR w bakteriach (źródło: NEB expressions Issue I)

Tym zastosowaniem jest ochrona bakterii przed wrogim DNA czy RNA,działająca w bardzo pomysłowy (powiedziałby kreacjonista) sposób.Białka CAS, gdy natrafią na obcy materiał genetyczny (np.pochodzący od wirusa), łączą się z nim i rozcinają na krótkiełączniki. Niektóre z tych łączników zostają wbudowane wsekwencję CRISPR między liderem a pierwszym z odcinkówpalindromicznych. Cały ten odcinek zostaje poddany transkrypcji napojedynczą nić RNA. Zostaje ona następnie pocięta na krótkieodcinki (crRNA), zawierające łącznik otoczony z obu stron po równopołową odcinka powtórzeniowego. Takie crRNA łączą się zbiałkami CAS, stając się zdolne do oznaczania obcego kodugenetycznego o dopełniającej je sekwencji. Jeśli więc bakteriazostanie zainfekowana przez kolejnego wirusa, to już jej „systemodpornościowy” jest gotów do akcji – dysponuje zestawamicRNA/CAS, które potrafią tak połączyć się z wirusowym DNA/RNA,że staje się ono nieszkodliwe. Oczywiście zapewne w większościwypadków komórka bakteryjna zginie, zanim zdoła przeprowadzić tenproces, ale nic nie szkodzi, niech przetrwa choć jedna, a jużwszystkie komórki potomne będą odporne na danego wirusa.

bEadyhpj

Kolejne lata przyniosły odkrycie CRISPR u kolejnych bakterii iorganizmów jednokomórkowych, jak i zrozumienie roli, jaką odkrywaten mechanizm. Długo widziano tylko teoretyczne znaczenie tegomechanizmu, aż do 2012 roku, kiedy to zespół biologówmolekularnych z Uniwersytetu w Berkeley ogłosił, że przerobiłsystem odpornościowy bakterii w nowe narzędzie do edycji genów.Składało się na niego oprócz CRISPR białko o nazwie Cas9 orazhybrydowe RNA, za pomocą którego można było wykryć, wyciąć izastąpić dowolną sekwencję genów. To wystarczyło, by uruchomićlawinę badań.

Genome Editing with CRISPR-Cas9

Rok 2013 przyniósł prace pokazujące, jak Crispr/Cas9 pozwala naedycję DNA w komórkach człowieka, myszy, świni, kozy i krowy ijak za pomocą pojedynczej nici RNA przeprogramowaćwiele miejsc DNA jednocześnie. Opracowano też technikę pozwalającązwiększyć dokładność zapisu nawet 1500-krotnie, a takżeznaleziono sposoby na modyfikowanie rozwijających się embrionów –zaczęto od jedwabników i żab. W 2014 kolejna technika miałazwiększyć dokładność targetowania 5 tys. razy, znaleziono metodęna wykorzystanie Crispr/Cas9 do wykrycia onkogennych genów wludzkich komórkach, aż w końcu Chińczykom udało się doprowadzićdo narodzenia się pierwszych organizmów, które zostały w fazieembrionalnej w ten sposób zmienione. Nie byle jakich zresztąorganizmów – były to dwie małpki makaki.

Prawdziwą burzę przyniósł jednak ten rok. Znów chińskizespół pochwalił się wyeliminowaniem choroby genetycznej u myszy,edytując za pomocą Crispr/Cas9 komórki rozrodcze – co oznacza,że zmiany tak wprowadzone dotyczyć będą wszystkich organizmówpotomnych. Chwilę później Amerykanie pokazali, jak sterować zapomocą tej metody epigenomem, czyli zestawem chemicznych modyfikacjiDNA, który steruje ekspresją genów w trakcie rozwoju organizmu, irównież jest dziedziczny. Po tym wszystkim musiała nastąpićpanika. Na łamach Nature i Science uczeni z USA i Europy wezwalido ostrożności w pracy z Crispr/Cas9 i zaniechania próbmodyfikacji ludzkich komórek rozrodczych. Jak się możnaspodziewać, wychowani na „nieco” innych wartościach Chińczycyspecjalnie się wezwaniem tym nie przejęli, wkrótce jeden z ichzespołów badawczych przedstawił wynikiprac na zmutowanych ludzkich embrionach – co prawda uznając,że trzeba jeszcze dopracowania tej techniki, ale zarazem wskazując na jej potencjał dla definitywnego wyeliminowania chorób dziedzicznych.

bEadyhpp

Być może, gdyby jeszcze Crispr/Cas9 był skomplikowanątechniką, dostępną tylko dla największych instytutów, którełatwo mieć na oku, biokonserwatyści nie byliby tak zaniepokojeni.Problem jednak w tym, że wszystko to można robić niewielkimkosztem nawet w uczelnianym laboratorium (ocenia się, że łącznacena nie przekracza 30 dolarów). Dla porównania, dotychczasstosowana technika ingerencji w DNA organizmów wyższych, tzw.nukleazy z motywem palca cynkowego, kosztowały ok. 5 tys. dolarówza operację. Do tego dochodzi powszechna dostępność darmowegooprogramowania do projektowaniasterującego RNA dla Crispr/Cas9 (artykuł w Wikipedii wymieniajuż 11 takich aplikacji) oraz bazdanych z genomami zmodyfikowanych organizmów. Nic dziwnego, żemagazyn Science uznał Crispr/Cas9 w końcu za OdkrycieNaukowe Roku 2015.

Dziewica oswajająca jednorożca, Domenico Zampieri, 1602 rok. Czy Crispr/Cas9 pozwoli na stworzenie mitycznych istot?
Dziewica oswajająca jednorożca, Domenico Zampieri, 1602 rok. Czy Crispr/Cas9 pozwoli na stworzenie mitycznych istot?

Co teraz? Co prawda dwa tygodnie temu w Waszyngtonie odbyła siękonferencja International Summit on Human Gene Editing, podczasktórej Amerykanie, Chińczycy i Brytyjczycy dyskutowali m.in. oetyce modyfikacji ludzkich komórek rozrodczych, ale trudnopowiedzieć, by uzyskano jakiekolwiek wiążące rozstrzygnięciaponad miło brzmiące deklaracje o konieczności prowadzenia badańpod odpowiednim nadzorem. Ujawnia się za to coś zupełnie innego.Skoro kosztujące 35 dolarów Raspberry Pi mogło przyciągnąćsetki tysięcy ludzi do zabawy elektroniką, robotyką, systemamisterowania, to co może zrobić tak tania i łatwa technikagenetyczna? Co, gdy za biomodyfikacje wezmą się hobbyści,zamawiający z Sieci gotowe zestawy narzędzi i informacjigenetycznej, by modyfikować dostępne pod ręką organizmy żywe?

W grudniowym numerze The American Journal of Bioethicsopublikowano artykułpt. CRISPR Critter and CRISPR Cracks, którego autorzyprzyglądają się pozaludzkim zastosowaniom nowej techniki, którezostaną zapewne przeoczone przez prawodawców, jako nieoczekiwane,niezrozumiałe, a nawet „frywolne”. Ich zdaniem biohakerzy zacznątworzyć w swoich domach odtwarzać organizmy wymarłe, powoływaćdo życia stworzenia, jakich nigdy nie było – włącznie zjednorożcami i chińskimi smokami (kto bogatemu zabroni), wymyślaćbiologiczne dzieła sztuki i na własną rękę brać się zazwalczanie różnych chorób. Nasz świat po biohakerskiej rewolucjinie będzie już taki sam. Niemożliwe? Firma AppliedStemCelloferuje właśnie świąteczną zniżkę na gotowe pakiety dozrobienia twojego własnego transgenicznego szczura. Wolny rynekzweryfikował – póki co rządowe agencje nie wiedzą, kto miałbysię kwestią regulacji zająć, Crispr/Cas9 nie jest w końcu anilekiem, ani pestycydem, wymyka się prawu. Zanim to prawo powstanie,całkiem możliwe że ludzie, którzy dziś wstrzykują sobiesyntetyczne hormony by zwiększyć sportową wydajność czy połykająsmart-leki, by zwiększyć inteligencję, jutro zmienią swoje DNAtak, by ich organizmy zaczęły funkcjonować inaczej… lepiej.Witaj, Nowy Wspaniały Świecie, w którym z Zatoki Piratów ludziebędą pobierali nielegalne pakiety informacji genetycznej.

bEadyhpq

I tym optymistycznym (lub pesymistycznym, jak kto woli) akcentemkończę wstępniak, zapraszając do kolejnego tygodnia z naszymportalem. Będzie oczywiście świątecznie, o czym przekonacie sięjuż niebawem (a ja już teraz pozwolę sobie życzyć Wamszczęśliwych, rodzinnych i pełnych nadziei Świąt BożegoNarodzenia), ale nie tylko. Dalej będziemy eksperymentowali zRaspberry Pi, pokażemy ile warte są hasła Wi-Fi, gdy pod rękąmamy dobrą kartę graficzną, przyjrzymy się też kolejnymtwierdzeniom sprzedawców nowoczesnych telewizorów. Do tegooczywiście newsy, testy i regularnie – nowe programy w naszejbazie.

Programy

Aktualizacje
Aktualizacje
Nowości
bEadyhqf