Генна інженерія здатна кардинально змінити світ

Відео: 10 способів за 60 хвилин круто змінити життя на краще - Як швидко змінити життя на краще

Дослідники великі надії покладають на систему CRISPR / Cas9, що дозволяє вносити з великою точністю зміни в геном живих істот, у тому числі і людей Періодично з`являються нові наукові роботи, які розповідають про різного роду різновидах даної технології і їх модифікаціях. Тільки в поточному роки таких модифікацій було кілька.

Необхідно відзначити, що CRISPR / Cas9 є системою адаптивного імунітету мікроорганізмів, зокрема, бактерій, яка допомагає їм боротися з різними вірусами. Складається вона з певних ділянок ДНК, які називають спейсерами і які відповідають фрагментам ДНК інфекції. Спейсери займаються кодуванням специфічних молекул crРНК, зв`язуються з білковим ферментом Cas9. Комплекс, який утворюється в результаті, з`єднується з ланцюжком ДНК вірусу, а білок працює як ножиці, перерізаючи цей ланцюжок.

Відео: Сенсаційні відкриття генної інженерії. Секрети сучасної генетики

Вчені говорять про те, що система CRISPR / Cas9 є лише однією з багатьох систем подібного роду, які використовуються бактеріями і археями. Їх можна розділити на кілька класів. У перший вчені відносять системи I, III, IV типів, у другій - системи II, V типів. Система II типу містить білковий фермент Cas9, який бере участь в накопиченні в клітці crРНК, отриманні нових спейсеров і розрізуванні ДНК. Інші системи для цих цілей використовують мультібелковие комплекси. Завдяки цьому II тип читається найбільш простим видом систем подібного роду, який підходить для потреб генної інженерії.

У свою чергу, типи можуть ділитися на підтипи - все залежить від тих додаткових генів, які пов`язані з CRISPR. Зокрема, тип IIA містить ген csn2, що кодує білок, який зв`язується з ДНК і бере участь в придбанні нових спейсеров. Системи IIB даного гена позбавлені, але в них присутня ген cas4, функцію якого вчені поки не визначили, а в системі типу IIC немає жодного, ні іншого гена.

Все CRISPR-системи, відомі вченим, були виявлені в складі бактерій, вирощених в умовах лабораторії. Разом з тим, існує безліч некультивованих Архе і бактерій, які здебільшого мешкають в екстремальних умовах - у занедбаних шахтах в токсичних водоймах і мінеральних джерелах. Втім, вчені можуть виділити ДНК з них і виявити відповідні ділянки. В одній зі своїх нових робіт, яка була опублікована в кінці грудня, дослідники Каліфорнійського університету говорять про те, що їм вдалося розшифрувати геноми з природних мікроорганізмів, виявивши при цьому нові види CRISPR-систем.

Вчені встановили, що у деяких маловивчених видів археоподобних організмів ARMAN також є система CRISPR / Cas9, між тим як раніше дослідники вважали, що вона властива виключно бактеріям. Генетики зазначають, що дана система знаходиться між підвидами IIC і IIB і служить захистом від так званих «стрибаючих» паразитичних генів або транспозони, які потрапляють з архей в мікроорганізми. Вчені спробували відтворити в кишкової палички активність виявленої CRISPR-системи, але всі їхні спроби не увінчалися успіхом. Це, за словами дослідників, може свідчити про існування невідомих специфічних додаткових механізмів, які регулюють систему.

Крім цього, вчені виділили також нові види систем з бактерій, які живуть в підземних відкладеннях і водах. Зокрема, мова йде про системах всередині другого класу - CRISPR / CasX і CRISPR / CasY. Перша система містить білки CasX, Cas1, Cas2 і Cas4. Перший з цих білків, як показали дослідження, має нуклеазного активність, іншими словами - він, подібно до білкового ферменту Cas9, може розщеплювати чужорідну ДНК. Але в той же час, це відбувається лише в тому випадку, коли перед вірусними фрагментами є послідовність TTCN, в якій N є будь-яким з чотирьох нуклеотидів. Подібні послідовності називають РАМ. Система CRISPR / Cas9 також має свою РАМ - NGG, і вона повинна розташовуватися перед вірусними спейсерами. Крім цього, система CRISPR / CasY може розрізати ДНК в тому випадку, коли поруч з спейсерів є послідовність РАМ - ТА.

Вчені впевнені в перспективності свого відкриття причини того, що всі ці виявлені системи є найбільш компактними з відомих їм в даний час. За словами дослідників, для роботи систем CRISPR / CasX і CRISPR / CasY необхідна невелика кількість білків, що робить їх найзручнішими інструментами в процесі редагування ДНК. Крім того, в ході метагеномного досліджень, в яких вивчається ДНК з навколишнього середовища, можна спробувати виявити нові різновиди CRISPR-систем, які будуть корисні для генної інженерії.

Генетики зазначають, що в природі існує альтернатива пошуку CRISPR-систем. Це удосконалення тієї технології, яка вже існує. Вона досить точна, але в той же час допускає деякі помилки, наприклад, розрізає ДНК не в тому місці, що не дає можливості вносити в гени правильні зміни і лікувати ефективно спадкові захворювання. Саме тому вчені зайняті пошуками способів поліпшення роботи системи. Протягом 2016 року була з`явилося чимало наукових досліджень, які були покликані модифікувати технологію CRISPR і перетворити її в різні генні інструменти.

Наприклад, на початку грудня вчені з університету Торонто, які створили систему анти-CRISPR, яка при наявності певних умов вимикає механізм. Таким чином, в тому випадку, якщо направляюча РНК з`єднається не з тим ферментом, активність білка Cas9 пригнічується і помилки можна уникнути. До складу анти- CRISPR входить три білка, які пригнічують нуклеазу. Цілком очевидно, спочатку система була винайдена зовсім не вченими, а вірусами, знешкоджувальними таким чином імунітет бактерій.

На початку літа спільними зусиллями американських і російських дослідників було підтверджено, що система CRISPR / C2c2, яку отримали з фузобактерии Leptotrichia shahii, може різати одноцепочной РНК. Таким чином, система CRISPR може бути використана для придушення активності матричної РНК, що переносить інформацію між генами і рибосомами, в яких на підставі цієї інформації відбувається синтез білка.

У травні фахівцями Каліфорнійського університету була створена технологія CRISPR-EZ, завдяки якій у вчених з`явилася можливість вставляти нові молекули ДНК в геноми мишачих ембріонів з майже стовідсотковою точністю. Система CRISPR / Cas9 вноситься за допомогою невеликого електричного розряду і мікроскопічної голки в запліднені яйцеклітини тварин. У своїх дослідженнях вчені зуміли внести мутацію в гени у 88 відсотків гризунів, а це число перевищує ту кількість генномодифікованих тварин, яке вдалося отримати за допомогою технології генного редагування з використанням звичайних ін`єкцій.

У квітні молекулярними біологами з Массачусетського універітета після застосування мутантного варіанта Cas9 без нуклеазного активності, була розроблена технологія CRISPRainbow. Напрямна РНК, яка вказувала місці прикріплення ферментам, містила флуоресцентні мітки, за рахунок чого вчені отримали можливість відстежити переміщення генетичних мобільних елементів.

В даний час вчені вже замислюються над тим, щоб застосовувати CRISPR-технології при створенні генномодифікованих організмів, зокрема, малярійних комарів, які будуть поширювати шкідливі гени серед своїх диких родичів. Даний метод носить назву генного драйву: в тому випадку, якщо один з батьків мав мутантний ген, то з 50-відсотковою ймовірністю він передасть його своєму потомству. Це відбувається з тієї причини, що батько володіє двома копіями генів, одна з яких дефектна. Система CRISPR може цей мутантний ген копіювати і вставляти в здоровий ген. В кінцевому підсумку, нащадки отримають 100-відсоткову мутацію.

У 2016 році експертами Консультативного комітету з рекомбінантної ДНК була схвалена заявка Пенсільванського університету про проведення досліджень з генетичної модифікації людини за допомогою системи CRISPR / Cas9.

Але набагато швидше виявилися китайські вчені. У листопаді в одному із спеціалізованих видань з`явилося повідомлення про те, що вони ввели вперше в історії в людський організм модифіковані за допомогою технології CRISPR / Cas9 гени. Вчені з крові хворого метастатичний рак пацієнта витягли Т-лімфоцити або імунні клітини, після чого застосували технологію CRISPR / Cas9, відключивши ген, що кодує білок PD-1. Цей білок пригнічує імунітет, тим самим сприяючи зростанню ракової пухлини. Дослідники збільшили кількість відредагованих клітин, після чого ввели їх назад в організм людини. Але в даний час поки невідомо, чи зуміє генна терапія впоратися з хворобою.

Крім цього, технології CRISPR можуть використовуватися для боротьби зі спадковими захворюваннями людини і ВІЛ. У той же час, щоб розробити ефективні методи лікування, необхідно проведення подальших досліджень. Безсумнівно, ні про які мутантів, як у фантастичних фільмах, мова не йде, але у вчених з`явиться можливість швидко створювати генномодифіковані організми, наприклад, сільськогосподарські рослини, стійкі до паразитів. А звичайним людям залишається лише гадати, чому вчені, які відкрили систему CRISPR і придумали, як і де її можна використовувати, все ще не отримали Нобелівську премію.