2020 Nagroda Nobla z Chemii

Czyli wszystko o „brzytwie genetycznej”



Prestiżowa nagroda Nobla w dziedzinie chemii przypadła w 2020 roku dwóm kobietom: francuskiej chemiczce Emmanuelle Charpentier, związanej dziś z Instytutem Maxa Plancka w Berlinie, oraz Amerykance Jennifer A. Doudna, z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Nagroda została przyznana „za rozwinięcie metody edycji genów”.

Źródło: Wikipedia/domena publiczna

Właściwie to nagroda ta powinna być przyznana w biologii, albo biotechnologii, tyle tylko, że nie przyznaje się nagród Nobla w tych dziedzinach. Jednak granica między biologią a chemią jest dziś na tyle zatarta, że z łatwością możemy łączyć te dwa oddzielne w szkole przedmioty. Biochemia molekularna jest dzisiaj jednym z podstawowych narzędzi biologii.

Warto też przy okazji przypomnieć, że pierwszą kobietą-laureatką Nagrody Nobla była Polka Maria Skłodowska-Curie, która uhonorowana już po raz drugi w 1911 r., i to tym razem właśnie z chemii, otrzymała tą nagrodę za odkrycie perwiastków polonu i radu. Pierwszy raz dzieliła nagrodę z fizyki ze swoim mężem, oraz Henri Becquerelem w 1903 r. Była pierwszą kobietą-laureatką, a do dziś jest jedyną kobietą uhonorowaną więcej niż raz.

Nagroda z chemii w tym roku jest odzwierciedleniem ogromnego postępu jakiego dokonały biochemia, biologia molekularna, i genetyka w ostatnich latach.

Emmanuelle Charpentier (Źródło: Wikipedia/domena publiczna)

Obie panie, tegoroczne laureatki, ściśle współpracowały ze sobą w badaniach mikrobiologicznych. Po raczej przypadkowym odkryciu nowego rodzaju cząstki chemicznej, tracrRNA w 2011 r., Emmanuelle zwerbowała do współpracy Jennifer, biochemiczkę, która jest wybitną specjalistką w zakresie RNA.

Jennifer A. Doudna (Source: Wikipedia/public domain)

Nie tylko udało im się razem zrozumieć i odtworzyć „w probówce” swoistą genetyczną brzytwę (lub genetyczne nożyce, ang. genetic scissors), którą bakterie używają do obrony przed zakażeniem, a która wykorzystuje tracrRNA, ale udało im się nawet uprościć molekularne elementy tego mechanizmu tak, że stał się łatwiejszy w użyciu. Następnie, w epokowym eksperymencie w 2012 r., przeprogramowały te „nożyce” tak, aby można je było wygodnie kontrolować i używać do precyzyjnego przecinania nici DNA w ściśle określonym miejscu już w dowolnych komórkach. Otworzyło to drogę do manipulacji genetycznych dotąd praktycznie niemożliwych.

W efekcie powstało wszechstronne narzędzie manipulacji genetycznej, swoisty szwajcarski scyzoryk genetyczny, umożliwiający dowolną edycję genów. Postępy te wywołały burzę w świecie nauki. Technologia ta nadal rozwija się bardzo szybko i jest czymś szalenie ekscytującym dla naukowców.

Genetyczna brzytwa

Owe nożyce genetyczne o których mowa, lub brzytwa jeśli ktoś woli, to mechanizm przecinania i edytowania materiału genetycznego, który nazwany jest raczej nieprzystępnym dla laika skrótem CRISPR/Cas9.

CRISPR (ang. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats - nic dziwnego, że wszyscy raczej chętnie używają skrótu) jest to system występujący wśród organizmów prokariotycznych (a więc prymitywnych, pozbawionych jądra komórkowego, czyli bakterii i tzw. archeonów) na obronę przed zewnętrznymi, inwazyjnymi elementami genetycznymi (np. wirusami, bakteriofagami, czy plazmidami). Jest to mechanizm, którego te prymitywne, jednokomórkowe organizmy używają do obrony przed „inwazją genetyczną” obcych „agentów”, a więc jest to, swego rodzaju, prosty ale bardzo skuteczny system immunologiczny na poziomie pojedynczej komórki.

System ten opiera się na przechowywaniu we własnym genomie fragmentów „obcego” DNA, otrzymanego np. w trakcie infekcji wirusowej. Przechowane fragmenty DNA są jakby „pamięcią” na temat tego, jaki to intruz zaatakował komórkę przedtem. W ten sposób, w przypadku re-infekcji mikrobem o tym samym profilu genetycznym, a więc zawierającym te same fragmenty DNA, można łatwiej wykryć jego obecność w komórce i następnie bardziej efektywnie go zniszczyć, przy pomocy enzymów tnących nić DNA zwanych nukleazami.

Zauważmy, że obcy materiał genetyczny jest w ten sposób przechowywany jakby w „kartotece” o poprzednich „napastnikach”. Własny materiał (endogenny) oraz pochodzący z zewnątrz (egzogenny) materiał genetyczny łączą sie w jeden zbiór instrukcji, kod życia, które jednak są wyraźnie oddzielone od siebie przy pomocy specjalnych, palindromicznych sekwencji DNA tak, że bez problemu „swój” materiał genetyczny, używany do sterowania procesami we własnej komórce, jest odróżniany od „obcego” materiału, przechowywanego tylko dla pamięci o „przeciwniku”.

Istotą mechanizmu CRISPR jest jego zdolność do rozponawania wcześniej zarejestrowanych sekwencji DNA i wybiórczego wiązania się z tą wcześniej ustaloną sekwencją. Pozwala to na odnalezienie przysłowiowej igły w stogu siana: spośród wszystkich sekwencji DNA występujących w danej komórce, CRISPR wybiórczo odnajdzie i przyczepi się do tej specyficznie „zapamiętanej”.

Połączenie metody CRISPR do wyszukania specyficznej sekwencji DNA z enzymem zwanym endonukleazą Cas9, dokonującym enzymatycznego przecięcia nici DNA w pobliżu tej sekwencji, to istota metody CRISPR/Cas9, która zrewolucjonizowała molekularną biotechnologię genetyczną. Metoda ta, to właśnie te idealne „nożyce genetyczne”, umożliwiające przecinanie nici DNA w arbitralnie, ale bardzo precyzyjnie zdefiniowanych miejscach.

Możliwe jest teraz wycięcie określonego segmentu DNA i następnie „wklejenie” w to samo miejsce dostarczonej z zewnątrz sekwencji genetycznej

Odkrycie mechanizmu CRISPR pozwoliło na celowe modyfikowanie genomu, czyli edycję genów w precyzyjnie wybranych miejscach, we względnie łatwy sposób - znacznie łatwiejszy niż metody używane do tej pory. Po połączeniu tego z mechanizmami naprawy DNA, możliwe jest teraz wycięcie określonego segmentu DNA i następnie „wklejenie” w to samo miejsce dostarczonej z zewnątrz sekwencji genetycznej. Droga do edytowania DNA prawie tak, jak - powiedzmy - dziś edytujemy plik aplikacji Word, jest otwarta. Stwarza to pole do popisu dla eksperymentów genetycznych na skalę do tej pory niespotykaną.

Ma to, oczywiście, swoje dobre i złe strony. Względna „łatwość” metody CRISPR/Cas9 jest jednym z powodów, dla których wywołuje ona bardzo silne kontrowersje etyczne.

Etyka manipulacji genetycznych

Ludzkość od zawsze manipuluje genami. Na przykład, od samego początku cywilizacji rolniczej, ludzie udomawiali różne gatunki niektórych pożytecznych traw (które dzisiaj nazywamy zbożami), w celu zwiększenia plonów i uzyskiwania produktu lepszego rodzaju, o większej wartości odżywczej lub wydajności. Przez wieki, też nikogo nie dziwiły zabiegi hodowców bydła, dla uzyskiwania rodzajów zwierząt o bardziej pożądanych właściwościach. Była to jak najbardziej ingerencja w genetyczną spójność organizmów, tyle tylko, że bardzo żmudna i długotrwała, poprzez celowe krzyżowanie i selekcję, prowadzone konsekwentnie przez wiele pokoleń.

CRISPR/Cas9 wprowadza nową jakość w zdolności edycji genów. Edytować można teraz arbitralne sekwenje DNA, nie czekając na rezultaty przez pokolenia. To, co kiedyś było niezwykle czasochłonne, trudne, a wręcz czasami niemożliwe, teraz - przy użyciu genetycznej brzytwy CRISPR/Cas9 - pozwala na zmianę „kodu życia" w ciągu kilku dni lub tygodni.

Jak mówi Claes Gustafsson, przewodniczący Komisji Nobla z Chemii:

To narzędzie genetyczne ma ogromną siłę, która dotknie nas wszystkich. Nie tylko zrewolucjonizowało ono nauki podstawowe, ale pozwoliło na uzyskanie nowego rodzaju roślin uprawnych oraz doprowadzi do nowych, przełomowych terapii medycznych.

No właśnie, wszystkich nas to dotknie, tylko teraz powstaje pytanie: jak?

Obietnica nowych rodzajów roślin uprawnych brzmi dobrze, ale pod warunkiem, że będą to rośliny bezpieczne dla człowieka. Niestety, genetyka, pomimo swego dramatycznego rozwoju w ostatnich latach, jest jeszcze praktycznie w powijakach. Nasza znajomość różnorodnych molekularnych ścieżek metabolicznych dopiero się bardzo powoli krystalizuje. Są to systemy o takiej złożoności, tak skomplikowane, że nie do końca je jeszcze rozumiemy, ani nawet nie znamy ich wszystkich elementów składowych.

Narzędzie takie, jak CRISPR/Cas9 to trochę jak przysłowiowa brzytwa w ręku małpy. Nie znając do końca efektów jego działania, przestawiając nukleotydy (cegiełki DNA) tam i z powrotem, możemy nieświadomie (lub, co gorsza, świadomie) stworzyć prawdziwego Frankensteina, który zagrozi swemu stwórcy (to taka uwaga na czasie, w tematyce Halloween'owej).

Stąd, na przykład, genetycznie zmodyfikowane rośliny uprawne nie wszędzie są mile widziane. Wprawdzie techniki edycji genów pozwoliły szybko uzyskać zupełnie nowe odmiany znanych uprawnych gatunków, które przykładowo odporne są na szkodniki, czy suszę, to wiele osób obawia się niezamierzonych konskwencji takich manipulacji genetycznych. Po prostu, jeszcze nie wiemy czego nawet nie wiemy.

Sytuacja jest nawet jeszcze niebezpieczniejsza w przypadku manipulowania genami zwierzęcymi, a w szczególności ludzkimi, gdyż efekty tego dotykają nas bezpośrednio.

Weźmy takie, na przykład, zaprojektowane dzieci (ang. designer babies). Oto, co na ten temat miał do powiedzenia Paul Knoeppfler, austriacki badacz w dziedzinie biomedycyny:

Świat nauki już w tym roku [2015, przyp. aut.] przeżył wielki szok. Większość ludzi w ogóle o tym nie wie, że niespełna kilka miesięcy temu w Chinach powstały genetycznie zmodyfikowane ludzkie zarodki. Po raz pierwszy w historii. Stoi za tym nowa technologia CRISPR. Nie zadziałała perfekcyjnie, mimo to wydaje mi się, że wieczko puszki Pandory zostało uchylone. Sądzę, że nie zabraknie chętnych do użycia tej technologii w celu projektowania potomstwa. [TEDx]

Ten sam naukowiec przyznaje z rezygnacją, że wszystko to zmierza ku sytuacji, kiedy w przyszłości zaakceptujemy modyfikowanie ludzkich genów.

Dane z chińskiego ośrodka badawczego wskazują, że jeden z otrzymanych płodów jest „mozajką” komórek poddanych edycji na różne sposoby. Jest to w dosłownym tego słowa znaczeniu chimera.

Jak na razie, jednym z efektów tego eksperymentu jest aresztowanie He Jiankui, chińskiego badacza, który oszołomił świat, ogłaszając, że pomagał produkować genetycznie zmodyfikowane dzieci, a który został uznany winnym prowadzenia „nielegalnych praktyk medycznych” i skazany na 3 lata więzienia. Drugim efektem było przyjście na świat trojga dzieci, które rozwinęły się z genetycznie wyedytowanych embrionów. [MIT]

Jednak nawet naukowcy, którzy zgadzają się, że edycja ludzkiego genu przynosi korzyści, twierdzą, że musimy mieć jasność co do tego, jak szybko postępujemy. Dodatkowym moralnym obciążeniem dla tej technologii może być fakt, że zmiany w zarodku byłyby dziedziczone przez przyszłe pokolenia i mogłyby ostatecznie wpłynąć na całą pulę genów ludzkości. Kto podejmuje się podjąć taką odpowiedzialność? Chociaż intencją może być stworzenie doskonałych istot ludzkich, rezultatem może być potwór.

Z kolei George Church, genetyk z Uniwersytetu Harvard, jest często cytowany za jego pracę nad tzw. ksenotransplantami, czyli pozyskiwaniem narządów dla ludzi od dawców innych niż ludzie, takich jak na przykład... świnie. Wszystko to w celu stworzenia niezawodnego zapasu narządów do przeszczepów u ludzi, takich „części zapasowych" ludzkiego ciała. Church i jego współpracownicy wykorzystali CRISPR/Cas9 do modyfikacji zarodków świń tak, że stały się one potencjalną bazą do hodowli przeszczepów. Rzecz w tym, że wielu ludzi wolałoby raczej umrzeć, niż otrzymać organ od świni...

Nie wspomnę już nawet o możliwościach manipulacji genomami wirusów i podobnych im inwazyjncyh organizmów, w róznych doprawdy celach i z efektami, których nikt dziś nie jest w stanie przewidzieć.

Manipulacje, które miały miejsce przez wieki, a więc krzyżowanie i selekcja, były bardzo powolne, a ich efekty miały czas się zasymilować z resztą biosfery i uzyskać pewną równowagę ekologiczną. Gwałtowna i nagła, przez porównanie, manipulacja materiałem genetycznym przy użyciu CRISPR/Cas9 wprowadza zupełnie nową jakość, a dramatyczne zmiany o nieznanych konsekwencjach mogą dosłownie powstać z dnia na dzień.

Za poźno na odwrót

Czy powinno się zaprzestać manipulacji genetycznych? To tak, jakby zapytać, czy powinniśmy przestać używać komputery, albo zrezygnować z Internetu, czy elektryczności. Lawina już dawno ruszyła i nie ma sposobu na jej zatrzymanie, a korzyści z niej płynące są niezaprzeczalne. Pytanie jest tylko jak nie zostać pod nią pogrzebanym.

Możliwość edytowania genów otwiera ekscytyjące, nowe możliwości opanowania mnóstwa genetycznie uwarunkowanych chorób, które gnębiły ludzkość od zarania dziejów. Dysponują dziś tą metodą tysiące laboratoriów prowadzących ważne badania naukowe na całym świecie. Większość z tych laboratoriów nie interesuje się projektowaniem potomstwa lub tworzeniem broni biologicznej. Próbują zrozumieć i opanować choroby, które gnębia ludzi. Istnieje więc pozytywna strona CRISPR/Cas9.

Z drugiej strony, może się okazać, że niektórzy mogą działać w trosce o co innego niż nauka - to nie ona będzie dla nich motywacją. Może kierować nimi jakaś zwariowana ideologia, albo po prostu pogoń za zyskiem. Tacy ludzie zgodzą się na projektowanie potomstwa, lub wypuszczenie na świat straszliwej broni masowego rażenia.

Można sobie, na przykład, wyobrazić, jak to dominujące postawy społeczne w jakimś kraju, w tym pogląd, że większe „dobro społeczne" jest ważniejsze od prawa jednostki i zezwala na ominięcie nawet międzynarodowych wytycznych, mogłoby prowadzić do eugenicznych eksperymentów, które nie miały sobie równych, tak jak choćby potencjalne wyprodukowanie „idealnego żołnierza”.

CRISPR/Cas9 to broń obosieczna. Nikt tak naprawdę nie wie jak w przyszłości zostanie wykorzystana i jakie będą tego długofalowe konsekwencje. Historia dostarcza licznych przykładów na to, jak łatwo przełomowe badania i odkrycia mogą wymknąć się spod kontroli i wejść do użytku codziennego, niekoniecznie na korzyść ludzkości, jak to Alfred Nobel ujął w swoim testamencie.

Tegoroczna nagroda Nobla z dziedziny chemii powinna dać nam wszystkim do myślenia, nie tyle jak by tu, mówiąc obrazowo, zawrócić rwącą rzekę kijem, ale jak uregulować i opanować tę rzekę, byśmy w powodzi nie utonęli.




Żródła/Bibliografia:

Trudno się dzisiaj uchronić przed kolejnymi doniesieniami, czy to na temat przebiegu szczepień na COVID-19, czy to ich rzekomym ryzyku i szkodliwości, czy wreszcie o ich skuteczności, lub przeciwnie. Wiele osób wyraża swoje opinie na ten temat, tak publicznie, jak i prywatnie, jednak raczej niewiele naprawdę rozumie jak – na jakiej zasadzie – te szczepionki w ogóle działają, jaki jest ich mechanizm, jakie jest ich ryzyko, oraz na czym polega ich odmienność i nowość, w porównaniu z tradycyjnymi. Wszyscy niby wiemy, że zostały opracowane i dopuszczone do stosowania niesłychanie szybko – jak na szczepionki – bo w ciągu niecałego roku, ale mało kto zdaje sobie sprawę dlaczego to było w ogóle możliwe. Spróbujmy sobie tu, przynajmniej po części, odpowiedzieć na te pytania a, przy okazji, wskazać na częściowo polskie pochodzenie technologii, która te szczepionki umożliwiła.

Czytaj dalej...

Tegoroczna prestiżowa nagroda Nobla z fizyki przypadła trójce wybitnych uczonych. Połowę (50%) nagrody przyznano słynnemu brytyjskiemu fizykowi Sir Rogerowi Penrose'owi z Uniwersytetu w Oxfordzie. Jest to o tyle ciekawe dla nas, że naukowiec ten ostatnio współpracuje blisko z Polakami. Pozostałą część nagrody (a więc po 25%) podzielono równo pomiędzy dwoje astrofizyków związanych z Kalifornijskim Uniwersytetem w Berkeley: Reinharda Genzela oraz Andreę Ghez.

Czytaj dalej...
Historia Nagrody Nobla
Andrzej (Andrew) Woźniewicz

Alfred Bernhard Nobel, szwedzki wynalazca i fundator słynnych nagród swego imienia, był postacią raczej kontrowersyjną. Był samotnikiem, prowadzącym życie w odosobnieniu, dużo podróżującym, który nigdy się nie ożenił i miał raczej niewiele przyjaciół, a z rodziną utrzymywał bardzo chłodne kontakty. Politycznie konserwatywny, był na przykład przeciwny dopuszczeniu kobiet do głosowania, niespecjalnie był lubiany jako menadżer. Gdy kiedyś poważnie zachorował, jedyną osobą, która go odwiedziła był jego pracownik. Mieszkał w hotelach i w swoich laboratoriach, przez co Wiktor Hugo przypisał mu miano "najbogatszego włóczęgi Europy".

Czytaj dalej...