Dotychczas uczyliśmy się czytać DNA. Teraz stajemy się coraz bardziej biegli także w sztuce pisania

Brzmi to jak literatura fantastyczno-naukowa, aż się prosi o – jak najbardziej uzasadniony – sceptycyzm. Tym razem jednak mamy w rękach technologię, która może nam to wszystko umożliwić. Jest prosta w obsłudze i tania w zastosowaniu. Nazywa się CRISPR (czyt. krisper). Warto zapamiętać ten skrót, bo pod nim kryje się rewolucja większa i ważniejsza niż wynalezienie antybiotyków.

„W ciągu następnych kilku lat ta nowa biotechnologia zapewni nam zboża, które dają większe plony, zdrowsze zwierzęta gospodarcze i żywność bogatszą w różne składniki. Za kilka dekad dzięki niej będziemy mogli hodować świnie, które staną się dawcami ludzkich organów – ale też mamuty, latające jaszczurki i jednorożce. Nie, nie żartuję” – pisze Jennifer Doudna, której badania były kluczowe dla opracowania tej technologii, w swojej książce „Rysa na dziele stworzenia: edycja genów i niewyobrażalna moc kontroli nad ewolucją” („A Crack in Creation: Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution”). To nazwisko także warto zapamiętać, bo Doudna jest murowaną kandydatką do Nagrody Nobla.

Kaligrafia życia

Skąd bierze się optymizm badaczki? Stąd, że technologia CRISPR pozwala w dość prosty i tani sposób wprowadzać zmiany w dowolnej części kodu genetycznego. To zestaw instrukcji, jak rosnąć, działać i tworzyć potomstwo, który posiada każda istota żywa. Zawarte są one w słowniku DNA (kwasu dezoksyrybonukleinowego), gdzie słowa tworzą poszczególne geny, a te z kolei zapisane są za pomocą czterech „liter” – adeniny, cytozyny, guaniny i tyminy kryjących się pod pierwszymi literami swoich nazw: A, C, G, T.

O ile jednak robimy coraz większe postępy w czytaniu tego alfabetu życia (sekwencję 3,2 mld liter, a właściwie par liter, bo DNA ma przecież formę podwójnej helisy – dwóch skręconych dookoła siebie nici – tworzących ludzki kod genetyczny udało się po raz pierwszy odtworzyć w 2001 r.), o tyle kiepsko nam szło pisanie w nim. To trochę jak z kaligrafią tradycyjnego chińskiego pisma: nauczyć się odróżniać poszczególne znaki od siebie to jedno; umieć je pisać to zupełnie inna bajka.

Pisanie to zgrabna metafora, ale nieco myląca. CRISPR jest nie tyle umiejętnością pisania, ile piórem lub długopisem, dzięki któremu ta czynność jest w ogóle możliwa. Co więcej, jest to pióro bardzo precyzyjne, bo pozwala nam na modyfikacje dokładnie w tych częściach kodu genetycznego, które nas interesują. Jest to też narzędzie uniwersalne, ponieważ można je stosować zarówno u bakterii, jak i u roślin, zwierząt oraz ludzi. Pióra, które wykorzystywaliśmy dotychczas do kaligrafii życia, były nieporęczne albo wymagały mnóstwa pracy, albo były drogie, ale przede wszystkim nieskuteczne. CRISPR radykalnie zmienił ten krajobraz.

Jak bardzo? Artykuł w „Nature”, w której Doudna razem z francuską badaczką Emmanuelle Charpentier opublikowały niezbity dowód, że CRISPR może służyć do precyzyjnej modyfikacji kodu genetycznego, ukazał się w połowie 2012 r. Naukowcy na całym świecie bardzo szybko zorientowali się, że dostali do ręki potężne narzędzie, którego potrzebowali. Takie, jakiego jeszcze nigdy nie mieli w swoim zasięgu. Pierwsze efekty było widać już rok później.

„Latem 2013 r. zaczęłam tworzyć listę różnych typów komórek i organizmów, których kod genetyczny zmodyfikowano z wykorzystaniem tej technologii. Na początku lista była niedługa i zawierała rybę danio pręgowanego, różne bakterie i ludzkie komórki. Później dopisałam do niej drożdże, myszy, muszki owocówki i mikroskopijne robaki. Do końca roku spuchła o szczury, żaby i jedwabniki. Rok później trafiły na nią także króliki, świnie, kozy, żachwy i małpy. Później straciłam rachubę. […] Do 2016 r. naukowcy z pomocą CRISPR modyfikowali wszystko – od kapusty, ogórków, ziemniaków i grzybów po psy, fretki, chrząszcze i motyle” – pisze Doudna.

Sprytne ostrze

Kiedy odkryliśmy CRISPR pod koniec lat 80., nie mieliśmy zielonego pojęcia, do czego może służyć. Nawet sam termin oddaje fakt, że poza ogólną charakterystyką naukowcy nie byli w stanie nic więcej powiedzieć o tym nietypowym fragmencie bakteryjnego DNA (zresztą nazwa została zaproponowana dopiero w 2001 r.): CRISPR to skrót od „zgrupowanych, regularnie rozproszonych, krótkich i powtarzających się sekwencji palindromicznych” („Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”). Badacze wiedzieli, że kod genetyczny wielu organizmów zawiera powtórzenia, a nawet śmieci – i temat pozostał ciekawostką intersującą nieliczną garstkę specjalistów.

W połowie ubiegłej dekady okazało się jednak, że CRISPR to coś więcej niż tylko śmieci w bakteryjnym DNA: to wysoce wyspecjalizowany i diabelnie skuteczny mechanizm obrony przed infekcjami wirusowymi. Wirusy atakujące bakterie są wszechobecne; można je znaleźć w ziemi, wodzie, w naszym ciele, gorących źródłach i lodzie. Naukowcy szacują, że na Ziemi jest ich 1031 – to bilion bilionów pomnożony jeszcze przez 10 milionów. W jednej łyżce wody morskiej jest ich tyle, ilu mieszkańców w naszym kraju.

Bakterie walczą z wirusami od miliardów lat i w toku tego pradawnego konfliktu wypracowały kilka mechanizmów obronnych, które pozwalają im zwalczać naturalnych wrogów. Jednym z nich jest swoista pamięć immunologiczna, która pozwala zapamiętać intruza po „rysopisie” lub „odciskach palców” (taką umiejętność ma nasz układ odpornościowy; dlatego działają szczepionki), żeby błyskawicznie uruchomić odpowiedź, gdyby pojawił się znowu. Tym właśnie jest CRISPR: fragmentami DNA wirusa, które bakteria włączyła do własnego kodu genetycznego jak odcisk palca lub rysopis.

Dzięki temu, jeśli intruz wróci, bakteria może go zidentyfikować i zniszczyć. Ale to nie sam CRISPR odpowiada za funkcjonowanie tego mechanizmu. Potrzebne do tego jest jeszcze specjalne białko (takie jak np. Cas9, ale jest ich cała rodzina), które pełni funkcję egzekutora: patroluje ono wnętrze bakterii, a kiedy odnajdzie pasujący do rysopisu zawartego w CRISPR fragment wirusowego DNA, natychmiast rozpoczyna cięcie. Złamany w ten sposób kod genetyczny wirusa nie nadaje się do replikacji i jest następnie metabolizowany przez bakterię.

To właśnie ten mechanizm sprawia, że CRISPR jest doskonałym narzędziem do modyfikacji kodu genetycznego. Jak się bowiem okazało, białko Cas9 będzie ciąć DNA w dowolnym wskazanym przez nas miejscu (trzeba mu do tego spreparować ów odcisk palca, ale to akurat potrafimy robić). A ponieważ komórki na bieżąco dokonują napraw kodu genetycznego, to jeśli podsuniemy im pożądaną sekwencję na miejsce tej wyciętej, chętnie ją tam umieszczą.

Od szalki Petriego do apteki

Od najdawniejszych czasów ludzie kultywowali pożądane cechy w roślinach jadalnych i zwierzętach hodowlanych, żeby mieć większe plony i lepszą żywność. Teraz proces, który dotychczas trwał setki, a nawet tysiące lat, można przeprowadzić w laboratorium w kilka dni. Droga od szalki Petriego do pola uprawnego znacznie się skróciła.

CRISPR niesie więc na przykład nadzieję na opracowanie takiej odmiany bananów Cavendish, którym nie będzie zagrażał grzyb Fusarium oxysporum cubense (Fusarium zabrał nam już odmianę tych owoców, która królowała na stołach przed Cavendishem – Gros Michel) i które jednocześnie nie będą kwalifikowane jako GMO. Modyfikacja nie będzie bowiem polegać na dodaniu genu pochodzącego od innego organizmu (kwestia drażliwa dla konsumentów i regulatorów, chociaż – jak zapewniają naukowcy – bezpodstawne). Odporna wersja banana już istnieje, ale jako GMO jest objęta zaostrzonymi regulacjami.

Rolnictwo jest więc jednym z obszarów, gdzie CRISPR może doprowadzić nie do jednej, ale do wielu rewolucji jednocześnie. Kolejnym jest medycyna, gdzie możliwość precyzyjnej modyfikacji DNA niesie nadzieję na leczenie schorzeń, których podstawą są właśnie niewielkie zmiany w kodzie genetycznym. Niewielkie, ale mające duże konsekwencje dla ich nosicieli. W przypadku wielu tych schorzeń medycyna nie jest w stanie zaoferować nic więcej, niż działania mające na celu polepszenie jakości życia. Wiele z nich jest także zbyt rzadkich, żeby zainteresowały się nimi koncerny farmaceutyczne.

Na razie regulatorzy dopuścili do wczesnych testów klinicznych dwa leki opracowane za pomocą CRISPR. W lipcu Europejska Agencja ds. Leków (European Medicine Agency, EMA) zezwoliła na rozpoczęcie wstępnych badań klinicznych na ludziach nowego leku na beta-talasemię. Z kolei na początku stycznia jej amerykański odpowiednik – Agencja ds. Leków i Żywności (Food and Drug Administration, FDA) – zatwierdził taką procedurę dla nowej terapii leczącej anemię sierpowatą.

Obydwie choroby wywołane są niewielkimi zmianami w obrębie kodu genetycznego. W przypadku anemii sierpowatej jest to podmiana jednej litery w DNA na drugą, ale na tyle brzemienna w skutki, że w efekcie hemoglobina traci swoje właściwości, zbija się w kupki i powoduje zmianę kształtu czerwonych krwinek. Jeśli te badania się powiodą, będą to kamienie milowe w historii medycyny.

Wielka odpowiedzialność

Doudna nie ma jednak wątpliwości: tak prosta technologia wiąże się z pytaniami, na które jeszcze nie znamy odpowiedzi. „Wraz z mistrzowskim opanowaniem kodu życia pojawiła się odpowiedzialność, na którą my, zarówno jako pojedyncze jednostki, jak i cały gatunek, jesteśmy kompletnie nieprzygotowani” – pisze w swojej książce badaczka.

Czy np. powinniśmy ingerować w ludzki genom? Pytanie to stanęło przed światem naukowym pod koniec 2018 r., kiedy chiński naukowiec ogłosił, że zmodyfikował genetycznie zarodki dwóch dziewczynek, aby w ten sposób wyposażyć je w odporność na wirus HIV (w obydwu przypadkach nosicielami byli rodzice). Doniesienie ogłoszone na bardzo prestiżowej konferencji branżowej wzburzyło światową społeczność naukową, badaczem zajęły się także chińskie władze. Biorąc jednak pod uwagę, jak prosty w obsłudze jest CRISPR, takich przypadków możemy spodziewać się więcej.

Na szczęście raczej nie grozi nam inwazja dzieci projektowanych na zamówienie, bowiem wiele z pożądanych przez nas cech – takich jak inteligencja – nie dość, że nie jest jeszcze dla nas wystarczająco zrozumiały, to jeszcze zdaje się być wypadkową działania wielu genów, a także czynników środowiskowych.

Ale nasza odpowiedzialność sięga daleko poza nasz własny gatunek. Jednym z proponowanych narzędzi walki z malarią jest trwała modyfikacja całych gatunków komarów poprzez wszczepienie im odpowiednich genów, a następnie upewnienie się (za pośrednictwem zasad dziedziczenia), że rozprzestrzenią się one po całej populacji. Biorąc pod uwagę, że komary przenoszą nie tylko malarię, lecz również mnóstwo innych chorób tropikalnych, wielu naukowców skłania się ku temu, żeby nie powstrzymywać się przed działaniami mającymi na celu modyfikację całych gatunków. Nawet jeśli miałoby to doprowadzić do ich wyginięcia.

Posiedliśmy nieomal boską moc – możliwość wprowadzenia z góry zaplanowanej i precyzyjnej zmiany kodu genetycznego. Fakt, że dostęp do niej jest bardzo łatwy i wymaga niewielkich kwalifikacji, może w niedalekiej przyszłości sprawić, że technologia CRISPR będzie musiała być reglamentowana (w końcu jeśli coś jest łatwo dostępne i można to zamienić w broń, to ile czasu trzeba na to czekać?). Najważniejsze jest, żeby jak najprędzej znaleźć odpowiedzi na pytania związane z jej użyciem, aby nie zaskakiwały nas wydarzenia takie jak modyfikowanie zarodków w Chinach. Musimy przy tym uniknąć fatalnych porażek, jakimi dla świata naukowego okazały się nieobronienie modyfikacji genetycznej żywności czy powszechnych programów szczepień.