Kriptonīta meklēšana, kas var apturēt CRISPR

Konceptuāla akmens papīra šķēru un DNS, CRISPR un Anti-crispr ilustrācija Tehnikas kundze; papīra DNS autors: Jorge C. Lucero | Flickr; akmens un šķēres: pixabay

2016. gada septembrī Dženifera Dudna uzaicināja uz savu biroju jaunu kolēģi, vārdā Kails Voterss. Līdz tam Kalifornijas Universitātes Bērklijā bioķīmiķis bija slavens kā CRISPR izgudrotājs. Ātrā un daudzpusīgā gēnu rediģēšanas rīka izgudrojums viņu bija iemantojis globālā bēdīgā slavā un ievērojamā bagātībā. Viņa bija vairāku jaunuzņēmumu dibinātāja un savākusi miljonus naudas balvas zinātnē.

Tomēr draudīgi, kā to darījis Dudna atstāstīja , viņu vajāja sapnis, kurā parādījās Ādolfs Hitlers, rokās turot pildspalvu un papīru, lūdzot CRISPR receptes kopiju. Kāds briesmīgs mērķis Hitleram varētu būt? Dudna, stāstot savu sapni, to neteica.

Tagad Dudnas jautājums bija, vai Voterss vēlētos strādāt pie tā, lai to apturētu? Apturiet CRISPR.

CRISPR ir atrodams baktērijās. Tā ir miljardu gadu veca aizsardzība pret marodiervīrusiem, kas pamana to DNS un izmanto šķērēm līdzīgu proteīnu, lai to sasmalcinātu. Doudna spēlēja galveno lomu, pārveidojot atradumu par revolucionāru gēnu rediģēšanas rīku, kas ir izplatīts visā pasaulē, veicinot jauns pētījums un potenciālie ārstniecības līdzekļi.

Bet, ja zinātnieki iemācīsies ievadīt gēnu redaktorus cilvēku ķermenī, kas atturēs vājprātīgu, teroristu vai valsti no CRISPR izmantošanas, lai nodarītu kaitējumu? Cilvēki iztēlojas personalizētus uzbrukumus, kas skartu tikai noteiktas etniskās grupas vai superkaravīrus, kas rediģēti tā, lai nejustu sāpes. Dudna bija labi pazīstama ar šo dilemmu. Viņas grāmatā Plaisa radīšanā , viņa rakstīja, ka baidās, ka gēnu rediģēšana varētu nonākt pasaules uzmanības lokā, tāpat kā atomenerģija sēņu mākonī. Vai es un citi norūpējušies zinātnieki varētu izglābt CRISPR no sevis… pirms notika kataklizmas?

Tagad viņai būtu iespēja. 2016. gada sākumā ASV izlūkošanas aģentūras bija norādījušas gēnu rediģēšanu kā potenciālu masu iznīcināšanas ieroci. Septembrī tajā iesaistījās Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūra (DARPA), izsakot aicinājumu meklēt jaunus veidus, kā kontrolēt vai mainīt gēnu rediģēšanas tehnoloģiju ietekmi. Programma, saukta Droši gēni , budžets būtu vairāk nekā 65 miljoni USD, padarot to par vienu no lielākajiem naudas avotiem CRISPR pētījumiem, neskaitot biotehnoloģiju jaunuzņēmumus, kas izstrādā jaunas ģenētiskās ārstēšanas metodes.

Viena problēma, kā to redzēja DARPA, bija viegli lietojamu pretpasākumu, atsaukšanas pogas vai pretindes trūkums CRISPR. Un jo jaudīgāka kļūst gēnu rediģēšana, jo vairāk mums tās var būt vajadzīgas — laboratorijas negadījuma gadījumā vai vēl ļaunāk. Kā UC Berkeley teica 2017. gadā preses relīze pēc tam, kad Doudna ar Votersa palīdzību ieguva daļu no lielā DARPA līguma, universitāte plānoja izveidot instrumentus, lai cīnītos pret bioterorisma draudiem, tostarp ieročus, kuros izmantots pats CRISPR.

CRISPR ieroči? Mēs atstāsim jūsu iztēlei, kāds tieši tas varētu izskatīties. Tomēr var droši teikt, ka DARPA ir lūgusi Doudnu un citus sākt meklēt profilaktiskas ārstēšanas metodes vai pat tabletes, ko jūs varētu lietot, lai apturētu gēnu rediģēšanu, tieši tāpat kā jūs varat norīt antibiotikas, ja esat saņēmis Sibīrijas mēra vēstuli. pastu. Zinātnieki saskaņā ar Doudnas projektu saka, ka viņi gatavojas sākt sākotnējos testus ar pelēm, lai noskaidrotu, vai grauzējus var padarīt imūnu pret CRISPR redaktoriem.

Vai mēs varam izslēgt CRISPR? jautā Džozefs S. Šonigers, kurš vada vienu aizsardzības pasākumu daļu Sandia National Laboratories Livermorā, Kalifornijā. Tas ir tas, ko mēs skatāmies. Pamatkoncepcija ir tāda, ka šī tehnoloģija nāk klajā, [tāpēc] vai nebūtu jauki, ja būtu “izslēgts” slēdzis.

Dženifera Dudna Aleksandra Heinla/picture-alliance/dpa/AP Images

Anti-CRISPR

Laikā, kad Doudna izstrādāja savu priekšlikumu DARPA, citiem zinātniekiem jau bija viens liels pavediens, kā apturēt CRISPR. Senajā cīņā starp baktērijām un vīrusiem, ko sauc par fāgiem, kas tās inficē, fāgs bija izstrādājis savus pretlīdzekļus CRISPR. Faktiski ir konstatēts, ka viņu genomi satur spēju ražot to, kas būtībā ir CRISPR kriptonīts — mazas olbaltumvielas, kuras evolūcija ir lieliski noregulējusi, lai atspējotu gēnu rediģēšanas rīku. Zinātnieki šīs molekulas sauc par anti-CRISPR.

Pirmos anti-CRISPR 2013. gadā atklāja Toronto universitātes students Džozefs Bondijs-Denomijs. Tas bija mierīgums. Mēs saskārāmies ar faktu, ka daži fāgi šķita izturīgi pret CRISPR. Kad mēs ievietojām fāgu šūnā, baktērijas nevarēja sevi aizsargāt, saka Bondijs-Denomijs, tagad Kalifornijas Universitātes Sanfrancisko profesors. Viņš ātri noteica vienu no aptuveni 50 vīrusa gēniem kā iemeslu. Mēs domājām, oho, varbūt tas izslēdz CRISPR.

Laboratoriju skaits, kas pēta šādu aizsardzību, ir mazāks nekā skaits, kas strādā ar CRISPR. Taču anti-CRISPR kļūst par plaukstošu jomu pati par sevi. Jau ir atrasti vairāk nekā 40 anti-CRISPR proteīni, no kuriem daudzi ir Doudnas laboratorijā. Citām komandām ir agrīni panākumi, meklējot parastās ķīmiskās vielas, kas var kavēt arī CRISPR. Šodien Amits Choudhary no Hārvardas Medicīnas skolas Bostonā, arī ar DARPA finansējumu, ziņots viņš bija atradis divas zāles, kas novērš gēnu rediģēšanu, sajaucoties ar cilvēka šūnām. Jebkuras spēcīgas tehnoloģijas iezīme ir kontrole, saka Choudhary. Tas ir tik vienkārši.

Pētnieki, piemēram, Bondy-Denomy, uzskata, ka anti-CRISPR varētu būt nozīme turpmāko gēnu rediģēšanas ārstēšanas uzlabošanā, sniedzot pētniekiem precīzāku kontroli. Piemēram, komanda Vācijā nesen parādīja, vai viņi apvienots CRISPR un anti-CRISPR , viņi varētu izveidot redaktoru, kas mainīs DNS tikai aknu šūnās, nevis neironos vai muskuļos.

Vēl viena pētīta lietojumprogramma ir par to, vai anti-CRISPR varētu radīt aizsardzību pret gēnu piedziņām. Bila un Melindas Geitsu fonds atbalsta CRISPR rīka izstrādi, kas izplatīsies caur savvaļas odi, izraisot to populāciju avāriju, ar ideju novērst malāriju. Citi vēlas attīstīt šādus gēnu virzienus pelēm, lai viņi varētu iznīcināt grauzējus no salām, neizmantojot indi.

Bet ko tad, ja šie eksperimenti sabojājas un novedīs pie izzušanas? Pētnieki domā, ka viņi var radīt organismus ar anti-CRISPR, kas ieprogrammēts viņu genomos, lai tie būtu imūni. Sākotnējā principa pierādījumā zinātnieki Kanzasā pagājušajā gadā izstrādāja rauga šūnas ar anti-CRISPR, lai pretotos gēnu piedziņai. Ja kāda Ziemeļkorejas laboratorija nāk pret jums ar gēnu virzību, lai iznīcinātu ekonomiski svarīgu kultūru, jums varētu būt transgēna kultūra, kas [ir izturīga]. Tāds ir rasēšanas dēļa scenārijs, saka Ēriks Sontheimers no Masačūsetsas Universitātes Medicīnas skolas.

Biopārsteigums

CRISPR rīka parādīšanās, sākot ar 2012. gada vidu, pārsteidza zinātniekus. Būtībā vienas nakts laikā gēnu inženierijas metodes tika aizstātas ar lētu, daudzpusīgu un programmējamu līdzekli DNS maiņai jebkuras dzīvas būtnes iekšienē. Sinoptiķi, kuru uzdevums bija paredzēt jaunas briesmas, pilnībā palaida garām CRISPR, saka Renē Vegžina , bioloģiskās aizsardzības zinātnieks, kurš vada DARPA programmu. Pazemīgā nespēja redzēt nākotni ātri pārvērtās par kritiski steidzamu jautājumu valsts drošībai.

Tas ir tāpēc, ka pētnieki, ārsti un jaunuzņēmumi, kurus atbalsta riska kapitālisti, sāka sacīkstes, lai uzzinātu, kā CRISPR izvietot augos, dzīvniekos un cilvēkos, izmantojot vīrusus, injekcijas, nanodaļiņas vai elektriskās strāvas triecienus. Un jo labāk viņiem tas izdevās, jo reālāks varētu kļūt kaut kāds jauns bioapdraudējums.

Līdz 2015. gadam Doudna bija arī sācis apšaubīt, kā CRISPR tika izmantots ikdienas laboratorijas pētījumu apstākļos. Daži eksperimenti izskatījās bīstami — ja nu kāds absolvents tiktu ievainots? Mēs izspiežam šīs tehnoloģijas pasaulē un nepavadām tām drošības pasākumus, kādiem vajadzētu būt, Vegžins sacīja Long Now fonds , 2017. gadā, Sanfrancisko. Es tiešām sāku izjust šo steidzamības sajūtu, ka kādam ir kaut kas jādara lietas labā.

Savā runā Vegžina sacīja, ka CRISPR briesmas ir acīmredzamas, jo zinātnieki jau izmanto gēnu rediģēšanu, lai padarītu peles slimas, izgriežot svarīgus gēnus. Es nedomāju, ka jums ir jābūt bioloģiskās drošības ekspertam, lai atzītu, ka ir nepieciešama rūpīga pārbaude, ja skatāties uz rīku, kas var gan izārstēt, gan izraisīt slimības, viņa sacīja Kalifornijas sanāksmē. Ja mums nekavējoties jāslēdz gēnu redaktors, mēs vienkārši nezinām, kā to izdarīt.

Joprojām nav vienošanās par to, cik bīstams CRISPR varētu būt nepareizās rokās. Sarkanās komandas vingrinājumi, ko 2016. gada vasarā sponsorēja Centrālā izlūkošanas pārvalde, kur analītiķu grupai, ko sauca par Džeisoniem, tika lūgts izdomāt savas sliktākās idejas, jautājumu neatrisināja. Vēlāk Nacionālās zinātņu, inženierzinātņu un medicīnas akadēmijas pēc Aizsardzības departamenta pieprasījuma izveidoja visu iespējamo sintētiskās bioloģijas draudu sarakstu, novietojot CRISPR ieročus iepakojuma vidū. Militāristi paziņoja, ka nesaskata tiešus draudus karavīriem.

Doudna piekrīt, ka CRISPR briesmas nevajadzētu pārspīlēt. Es bieži saņemu šos jautājumus par CRISPR sistēmām un nelietīgiem lietojumiem, un man šķiet, ka par CRISPR mani uztrauc ne vairāk vai mazāk nekā citas lietas. Viņa saka, ka kāds varētu sintezēt baku vīrusu. Tāpat, lai gan viņas pētījumi var radīt iespējamu gēnu rediģēšanas pretlīdzekli, viņas laboratorijas darbs ar anti-CRISPR galvenokārt risina fundamentālus bioloģiskus jautājumus. Es joprojām esmu pirmajā posmā, viņa saka. Kā šie darbojas?

Tomēr citi uztraucas, ka riski jau ir acīmredzami un ka pretlīdzekļi nevar parādīties pietiekami drīz. Piemēram, daži zinātnieki ir mēģinājuši novērst konkrētu CRISPR pētījumu publisku diskusiju vai pat dzēst to pieminēšanu no interneta, iespējams, lai dotu zinātniekiem vairāk laika izstrādāt pretpasākumus. Vispārējā dominējošā attieksme ir nedot cilvēkiem murgu degvielu, kamēr mēs aktīvi meklējam atbildes. Vienmēr pastāv bažas par priekšlaicīgu satraukumu, saka Dudnas bijušais līdzstrādnieks Voterss, kurš 2018. gadā uzrakstīja pārskatu par gēnu rediģēšanas ietekme uz bioloģisko drošību .

Video, kurā redzams, kā CRISPR rediģē DNS reāllaikā Osamu Nureki, Nature Communications

CRISPR aizsardzība

Šogad, kā daļa no Doudnas projekta DARPA, zinātnieku grupas plāno sākt savus pirmos eksperimentus ar pelēm, lai noteiktu, vai ir iespējams tos aizsargāt no CRISPR. Viena laboratorija, kas ir iesaistīta darbā, atrodas Sandia National Laboratories, kurā tiks izmantotas peles, kas ir sagatavotas rediģēšanai, jo tās ir izstrādātas tā, lai katrā šūnā piedzimtu ar CRISPR molekulārajām šķērēm, proteīnu, ko sauc par Cas9.

Šonigers, kurš vada Sandia darbu, saka, ka drīzumā viņa laboratorija liks pelēm pašām rediģēt, bet arī dos tām anti-CRISPR molekulas, lai redzētu, vai process nav bloķēts. Anti-CRISPR labi darbojas dabā, un mēs cenšamies noskaidrot, vai tas labi darbojas dzīvniekiem, viņš saka.

Šonigers uzskata, ka pastāv ievērojams risks nejauši saskarties ar CRISPR aģentiem. Tā kā liela nozare izvēršas par rediģēšanas rīku, CRISPR tiek veidots gēnu terapijā, injekcijās, ziedēs un pārtikā, kas palielina laboratorijas negadījuma iespējamību. Pat slepena bioieroču programma, visticamāk, nejauši atbrīvos dizainera dīgli, nevis sāks uzbrukumu. Tā kā cilvēki to lieto arvien lielākos daudzumos, palielinās iespēja saskarties, tikt sadurtiem vai izsmidzinātiem, viņš saka. Un, ja man acīs iesmidzina mutagēnu, būtu jauki to apturēt.

Darbs pie pretindes varētu būt noderīgs tāpat kā sabiedriskās attiecības. Tas varētu vismaz mazināt ļaundabīgas personības garīgo pieejamību, saka Šonigers. Ja varat to izslēgt, iespējams, viņi netraucēs. No psiholoģiskā viedokļa ir patīkami, ja ir poga “Izslēgt”. Ir patīkami pozicionēt šo tehnoloģiju sabiedrībā.

Šonigeram nav ilūziju, ka CRISPR pretlīdzeklis liks novērst draudus. Faktiski drošības problēma pieaug, jo laboratorijas uzlabo rīku un izgudro saistītos rīkus, un katrai no tām ir atšķirīga ietekme uz bioloģiskajiem aizsargiem. Zinātnieki var justies neizpratnē par milzīgo ātrumu, ar kādu paātrinās gēnu rediģēšana un sintētiskā bioloģija plašākā nozīmē un kā informācija izplatās tiešsaistē.

Mēs skatāmies uz tehnoloģiju vispārējo riska fronti, to, kā tā turpina attīstīties un cik grūti [ir] noturēties tajā, un cik ātri cilvēki izmet scenārijus, un ir grūti racionāli novērst šo risku, saka Šonigers. . Tikmēr viņš saka, ka mācīšanās bloķēt CRISPR tā klasiskajā, vienkāršākajā formā šķiet laba vieta, kur sākt. Šķiet acīmredzami, ka mēs vēlētos modulēt tehnoloģiju, tāpēc darīsim to, mēģinot sakārtot prioritātes, saka Šonigers. Zināmā mērā tas ir haoss; jaunā tehnoloģija strauji attīstās.

paslēpties