Ученые утверждают, что история молекулярной биологии не знала такой революции. CRISPR – система точного редактирования ДНК. Впервые экспериментально опробованная в 2012 году она произвела фурор в научном мире. Дебаты по поводу ее безопасности и сферы возможного применения разгораются всё сильнее.
Что такое CRISPR?
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats — "короткие палиндромные повторы, расположенные группами через одинаковые промежутки") — повторяющиеся фрагменты генетического кода, обнаруженные у бактерий еще на заре секвенирования.
Первая публикация по CRISPR датируется 1989 годом. Учёных давно интересовал вопрос, как простейшим бактериям миллионы лет удавалось противостоять вирусам бактериофагам. Было выдвинуто предположение, что обнаруженные последовательности в ДНК — иммунная система бактерий. Теория привлекла внимание многих лабораторий по всему миру, которые начали работы по её проверке.
Выяснилось, что в ДНК бактерии содержится информация в виде нуклеотидных последовательностей обо всех когда-либо атаковавших бактерию вирусах. Когда вирус попадает в клетку, запускается механизм сравнения его гена с теми участками, которые уже есть в клетке. Если находится идентичный, то белок Cas9 разрезает ДНК вируса.
Настоящий ажиотаж возник, когда учёные решили что открытый механизм можно применять на клеточном уровне для редактирования генома.
Таким образом, метод редактирования ДНК, не человеческое изобретение. Он был подсмотрен у живых организмов. Это делают вирусы в отношении бактерий, это делают бактерии в отношении растений.
В чём суть метода?
Основными компонентами системы CRISPR являются фермент белок Cas9, и РНК-гид — короткий фрагмент генетического кода для распознавания последовательности. Эти компоненты помещаются в аденоассоциированный вирус и с его помощью доставляются в ядро клетки. Обнаружив совпадение в ДНК-последовательности — РНК-гид встраивается между нитями двойной спирали. РНК-гид разрывает их, а белок Cas9 рассекает геном. Клетка запускает механизм починки, для восстановления берётся гомологичный фрагмент ДНК. У организмов есть копии геномов от матери и от отца. В случае утраты участка одной из них для восстановления клетка использует аналогичный фрагмент из парной хромосомы. Если в момент разрыва вместе с белком Cas9 ввести в клетку инородный фрагмент ДНК, идентичный по краям разрезанной хромосоме, но отличающийся в середине, клетка использует его для починки разрыва. Независимо от того, что будет в середине, клетка не распознает подмену.
Таким образом, учёным открываются безграничные возможности для экспериментов, меняться будет лишь РНК-гид. Вырезая из ДНК нежелательные гены и вставляя другие, мы получаем механизм для корректировки хромосом, заставляя клетку включать в себя фрагменты, кодирующие нужные нам признаки.
Перспективы применения технологии
Результаты исследований способны дать решения, которые помогут человечеству в борьбе с наиболее насущными проблемами. Такими как проблема нехватки продовольствия и глобальные изменения климата.
Есть много исследовательских проектов, направленных на раскрытие потенциала технологии редактирования генов. Она является альтернативой ГМО как более точный метод, кодирующий необходимые характеристики в родной ДНК.
Согласно исследованию Дженнифер Дудна из Калифорнийского университета в Беркли применение технологии редактирования в сельском хозяйстве позволит сделать растения более крупными и устойчивыми к вредителям, болезням, погодным условиям, применяемым гербицидам.
Технология CRISPR — инструмент для генной инженерии популяций. Она позволит создавать генетические модификации у потомства, которые будут характерны для всей популяции, а не для половины (по законам Менделя). Это значительно ускоряет селекцию, позволяя выводить растения и животных с необходимыми признаками уже в первом поколении.
По словам Билла Гейтса, технология позволит учёным выводить более продуктивных животных. Могут быть созданы сельскохозяйственные культуры, способные выдерживать более суровые условия выращивания. Или включать в себя природные пестициды и гербициды, что улучшило бы урожайность. Отредактированные культуры могут храниться дольше после сбора урожая, поскольку будут содержать меньше естественных токсинов.
Генетическое редактирование сельскохозяйственных культур
Исследователи из Беркли, работают над использованием подходов CRISPR-Cas9 для разработки устойчивого к вирусным и грибковым заболеваниям какао.
Ученые из лаборатории Cold Spring Harbor в Нью-Йорке использовали технологию редактирования генов для увеличения урожайности помидоров. Полученный вид отличается количеством и размером плода.
“Каждую из этих характеристик теперь можно контролировать также, как вы контролируете яркость лампочки поворотом регулятора света”, – профессор лаборатории Cold Spring Harbor Закари Липман.
Генетически отредактированные грибы стали первым организмом, изменённым с помощью технологии CRISPR, который прошёл проверку Департамента сельского хозяйства США. По заключению Департамента — в грибах не содержится инородных ДНК вирусов и бактерий.
Ведутся исследования по генному редактированию картофеля, сои, пшеницы. Компания DuPont Pioneer работает над получением гибрида восковой кукурузы, и планирует вывести её в продажу к 2020 году. Ученые из Китайской академии наук и университета Purdue использовали CRISPR-Cas9 для увеличения урожайности риса.
Пока ГМО продолжает вызывать настороженное отношение у потребителей, такие компании как DuPont Pioneer, Bayer, Monsanto вкладывают значительные средства в лабораторные исследования. Они рассчитывают, что генетически отредактированные продукты будут пользоваться большим доверием.
Для обеспечения продовольственной безопасности планеты актуальны исследования по модификации растений с целью уменьшения потребности в природных ресурсах. Фондом Билла и Мелинды Гейтс были проведены исследования с табаком, призванные уменьшить потребность растения в воде. Частично закрыв испаряющие воду устьица можно увеличить эффективность использования воды на 25%, без изменения урожайности. Необходимый ген кроме табака, есть у огромного количества других сельскохозяйственных культур.
Перспективным направлением также считается одомашнивание диких культур. Вместо развитие устойчивости сельскохозяйственных растений к болезням, паразитам и климатическим условиям, рассматривается возможность развития имеющихся ценных признаков у приспособленных к сложным условиям выращивания растений. Так например создать вид pennycress (ярутка) способный, подобно бобовым, фиксировать атмосферный азот.
Применение технологии для редактирования генов сельскохозяйственных животных
Создание гибридов разных пород животных ещё одно перспективное направление в применении технологии.
Генные драйвы — генетические модификации, передаваемые не половине потомства, а сразу всем, с целью создания мутагенной цепной реакции. Для удобства эксперименты проводятся на животных с коротким жизненным циклом, для быстрой смены поколений. Это так же удобнее для выявления возможных побочных эффектов и нежелательных мутаций. Таким образом, технология CRISPR – инструмент для генной инженерии популяций.
Учёные из Китая вывели породу устойчивых к холоду свиней с повышенным содержанием бурого жира, что позволит экономить расходы на отопление.
Исследователи из Флориды решили создать теплоустойчивую породу коров, способную выживать в жарком тропическом климате. Коровы приспособленные к жаркому климату дают меньше мяса и молока. Путём смешивания признаков теплоустойчивой породы – брахман, с классической породой – ангус, учёные надеются вывести гибрид – брангус, который совместит лучшие качества двух видов.
Люди опасаются генетически модифицированных культур. Но сельскохозяйственные компании работают над тем, чтобы лучше информировать общественность.
Правовое поле
Одной из проблем для проведения исследований остаётся выработка общей нормативной базы. Правила в США, Европе и Китае очень отличаются. Министерство сельского хозяйства США прекратило регуляцию генетически отредактированных культур (за исключением трансгенных), поскольку такие продукты так же безопасны, как и произведённые другими современными технологиями. По мнению Министерства подобное редактирование является ускоренным селективным размножением с высоким потенциалом роста.
В связи с относительной доступностью исследований это объявление открывает путь для проведения исследований множеству независимых компаний региона. Небольшие биотехнологические лаборатории могут разрабатывать новые продукты питания, работая над созданием одной или нескольких модификаций. Благодаря упрощённому лицензированию, нет необходимости в обеспечении дорогостоящего процесса регулирования контролирующей организацией. Подобная практика позволит совершать открытия, изобретать инновационные методы, позволяющие конкурировать на рынке с крупными компаниями.
Осторожная политика Европейского союза по отношению к генетически отредактированным продуктам способна привести к миграции учёных и специалистов. Подобные продукты подпадают под ограничения ЕС 2001 года по отношению к генномодифицированным продуктам. Между тем, мутации, вызванные химическими веществами или радиацией игнорируются, поскольку культуры выращиваются таким образом с 1940-х годов.
«Это похоже на отказ от скальпеля в пользу дробовика для операции. Европа отказывается от самой большой революции, которую биология наблюдала за последние 30 лет», - Хольгер Пухта, биохимик завода в Технологическом институте Карлсруэ, Германия.
Выводы
Внедрению технологии препятствует недостаточная изученность. Учёное сообщество спорит о контролируемости процессов изменений и указывает на необходимость длительных лабораторных исследований возможных мутаций и прочих последствий перед дальнейшим практическим применением на живых организмах. Недостаточно изучены нецелевые мутации, возникающие в процессе редактирования. Также сама технология ещё далека от оптимального вида.
Сложно определить какие участки генома нужно редактировать, чтобы добиться желаемых изменений. Продолжаются споры о наиболее точном и безопасном ферменте, альтернативе Cas9.
Независимо от того, как скоро генетически отредактированные продукты появятся на нашем столе, технология имеет огромный исследовательский потенциал и сулит ещё не одно революционное открытие.
В Украине также ученные работают с технологиями, которые связанны с генами продуктивности растений. Подробнее о стартапе, создавшем уникальный растительный препарат можно прочитать здесь.
