Системы CRISPR и ферменты, сходные с Cas9-нуклеазой, были обнаружены у очень многих видов бактерий. Оказалось, что они обладают несколько различающимися свойствами в плане распознавания коротких нуклеотидных последовательностей. Это важно, потому что, как мы помним, у человека в геноме три миллиарда букв, и если мы хотим как-то отредактировать генетический текст, резать надо очень точно и в строго определенном месте, то есть необходима специфичность разрезания. Например, если в случае использования CRISPR стрептококка для распознавания посредством направляющей РНК особенно важны только первые три нуклеотида, то в случае стафилококка уже требуется последовательность, в которой особенно важны первые шесть нуклеотидов. Среди трех миллиардов букв генома человека комбинация из трех нуклеотидов еще может найтись, но найти вторую такую же комбинацию из шести нуклеотидов направляющая РНК и фермент Cas9-нуклеаза едва ли сумеют, поэтому специфичность распознавания и точность разрезания будут намного выше.
Помимо поиска новых CRISPR-систем и Cas9-нуклеаз в различных бактериальных штаммах, люди, овладевшие навыками генной инженерии, сами пытаются тем или иным способом изменить, усовершенствовать эти ферменты под собственные нужды. И это на самом деле возможно, потому что если мы имеем какой-то фермент — скажем, нуклеазу, — то знаем, конечно, его структуру и можем постараться внести туда те или иные модификации, чтобы получить фермент с другими свойствами.
Например, первоначально Cas9-нуклеазы обладали такой активностью, что происходило разрезание обеих цепей ДНК. Это очень ценное качество, но исследователи решили попробовать сделать по-другому, и были получены модифицированные варианты этих ферментов, которые могли разрезать только одну нить ДНК. Почему это хорошо? Опять-таки, для повышения точности! Если мы в одной цепи ДНК делаем разрыв в одном месте, а в другой цепи — со сдвигом, скажем, на десять нуклеотидов в сторону, то направленность и точность распознавания сильно повышается, и единственный на весь геном разрез будет именно в этом месте. Бывают случаи, когда это совершенно необходимо.
Возможны и другие модификации. В частности, варьируя нуклеазную активность фермента, мы можем даже просто ее «убить», чтобы этот фермент совсем не имел нуклеазной активности. Тогда в клетке будет происходить высокоспецифичное распознавание, но никакого разрезания ДНК не произойдет вообще.
Конечно, надо честно признаться, что не все в обсуждаемом нами методе так идеально. Хотя исследователи исходят из того, что направляющая РНК осуществляет строго направленное воздействие и способна распознавать конкретные буквы генетического текста, всегда остается опасение, что случайным образом молекула ДНК может быть где-то разрезана еще и будет нарушена целостность генома. Это явление называется off-target, или внемишенный эффект. Поэтому для биомедицинских целей все усилия исследователей в использовании данного метода направлены на то, чтобы максимально повысить специфичность распознавания.
Это объясняет, зачем нужны модифицированные нуклеазы, которые распознают одну цепь. Чтобы с их помощью произвести двухцепочечный разрез, надо использовать две направляющие РНК к двум фрагментам генетического текста, и это повышает точность, а значит, уменьшает внемишенный эффект. Избегать таких эффектов — очень важная составляющая работы в области биологии и медицины, потому что главное — это все-таки безопасность для человека.
С тех пор как основным инструментом геномного редактирования стала система CRISPR/Cas9, в мире наблюдается взрывной интерес к ее применению в фундаментальной науке и множестве практических приложений. Создан целый ряд компаний, занятых редактированием геномов растений и модификацией животных. Существуют компании, работающие в области биомедицины, чтобы использовать эти же технологии в здравоохранении.
Во многих отношениях применение CRISPR/Cas9 сталкивается с теми же трудностями, что и другие сконструированные нуклеазы: это не всегда высокая эффективность разрезания ДНК, недостаточная специфичность есть проблемы с доставкой фермента в нужные клетки, а также возможность иммунной реакции (поскольку все нуклеазы содержат элементы, полученные от бактерий) и сложность оценки конечного результата. Но есть и одно громадное преимущество — простота использования по сравнению со всеми предшествующими инструментами редактирования генома.
Многие ученые внесли свой вклад в замечательные открытия, о которых мы говорили в этой главе. Но высшая награда, Нобелевская премия по химии за 2020 год, была присуждена двум выдающимся женщинам-исследователям — Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье, которые сначала участвовали в открытии адаптивного иммунитета бактерий, а потом вместе с коллегами занимались разработкой технологии CRISPR/ Cas9.
Почему открытие системы CRISPR/Cas9 заслуживает Нобелевской премии?
Союз науки и бизнеса
Не секрет, что в современном мире открытия редко совершаются учеными-одиночками. Обычно над любой серьезной проблемой работают коллективы исследователей, порой одновременно в разных странах, и всякий раз Нобелевский комитет сталкивается с весьма сложной задачей — как выбрать наиболее достойных. Здесь действует принцип, четко обозначенный в завещании самого Альфреда Нобеля. Суть его в том, что Нобелевская премия дается не за научное открытие как таковое, а присуждается тем ученым, кто «в течение предыдущего года сделал научные открытия, которые принесут наибольшую пользу человечеству».
Лауреаты Нобелевской премии 2020 года по химии Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье как раз и оказались теми учеными, которые за минувший год внесли наибольший вклад не только в открытие иммунной системы бактерий, но и в применение этого открытия, на основе которого была разработана технология для улучшения жизни и здоровья человека. К тому же новая технология, получившая название «система CRISPR/Cas9», позволяет сделать точное побуквенное геномное редактирование за считаные дни и недели, а не за месяцы и годы, как это было в ранее созданных системах геномного редактирования, что существенно экономит время и деньги для новых исследований.
Однако никакие открытия ученых сами по себе не могут принести заметную пользу человечеству — на их основе надо создать технологии, которые будут востребованы. Если научные исследования обычно финансируются государством, то технологиями чаще всего владеет бизнес, который может быть заинтересован в их внедрении. И он же получает от этого внедрения основной доход. Каждое небольшое научное достижение, даже каждый, грубо говоря, «научный чих» можно каким-то образом попытаться превратить в товар. А система CRISPR/Cas9 бактерий — это действительно выдающееся научное открытие, на основе которого можно теперь создать технологию и получить конечные продукты. Но для того чтобы не было конкурентов, необходимо получить исключительные права на использование системы CRISPR/Cas9 для разработок, прежде всего путем патентования тех возможных областей, где ее можно использовать. Какие это области — уже понятно, поскольку новый инструмент генной инженерии позволяет работать с генами не в пробирке, как это было с середины 1970-х годов, а непосредственно в живой клетке.
Сразу скажу, что почти всеми патентами на применение системы CRISPR/Cas9 владеют нобелевские лауреаты Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье, кто-то из их ближайших коллег и те компании, в которые они входят. А владение всеми патентами на использование системы означает, что за любое коммерческое применение геномного редактирования с помощью CRISPR/Cas9 необходимо платить владельцам патентов или их компаниям. К счастью для мировой науки, патент закрывает только возможность коммерческого использования научного достижения, но никак не ограничивает его дальнейшее применение в научных изысканиях.
Научные исследования могут проводиться без всяких ограничений.
