сп. National Geographic - Ноември 2018
National Geographic KIDS - Ноември 2018

ДНК революция

5.8.2016 г.

Способността бързо да променяме кода на живота ни е дала безпрецедентна власт върху естествения свят. Въпросът е: трябва ли да я използваме?

Ако огледате кабинета на Антъни Джеймс, лесно ще познаете с какво си изкарва хляба. Стените са покрити с рисунки на комари и по лавиците са подредени книги за комари. До бюрото му виси плакат с изображения на един конкретен вид, ¬Aedes aegypti, във всеки един етап от развитието му – от яйце, през какавида, до възрастен индивид – и увеличен до размери, от които биха пребледнели дори почитателите на „Джурасик парк“. На номера на колата му е изписана една единствена дума: AEDES. „Обсебен съм от комарите вече 30 години“ – казва Джеймс, който е молекулярен генетик в Калифорнийския университет в Ървайн. Съществуват приблизително 3500 вида комари, но Джеймс обръща внимание на едва няколко, които се нареждат сред най-смъртоносните създания на планетата. Сред тях е и Anopheles gambiae – той пренася маларийния плазмодий, който всяка година причинява смъртта на стотици хиляди хора. Само че по-голямата част от кариерата на Джеймс е посветена на Aedes.

Според историците комарът пристигнал в Новия свят през XVII в. – от Африка на борда на роботърговски кораби – и донесъл със себе си жълтата треска, която изтребила милиони хора. Днес той пренася и денгата, с която всяка година се заразяват цели 400 млн. души, както и все по-застрашителни патогени като чикунгуня, западнонилска треска и зика. След избухването на разрастваща се епидемия в Бразилия през миналата година зика изглежда е причинила най-различни неврологични заболявания, включително и рядката малформация микроцефалия, при която бебетата се раждат с ненормално малки глави и недоразвити мозъци. Целта на лабораторията на Джеймс, а също и на кариерата му, е да открие начин да бъдат манипулирани гените на комарите така, че насекомите да престанат да пренасят подобни болести. Доскоро ставало дума за дълъг, самотен и до голяма степен теоретичен път. Но чрез комбинирането на революционната нова технология CRISPR-Cas9 с естествената система, наричана „генетичен драйв“, теорията бързо се превръща в реалност. CRISPR-Cas9 е поверила в човешките ръце съвсем нов вид власт.

За първи път учените могат бързо и точно да променят, премахват или преподреждат ДНК на почти всеки жив организъм, включително на човека. През последните пет години технологията е преобразила биологията. Работейки с животни, учени от лаборатории по целия свят вече са използвали CRISPR за коригиране на тежки генетични увреждания – включително на мутациите, които са отговорни за мускулната дистрофия, муковисцидозата и един вид хепатит. Наскоро няколко екипа приложиха CRISPR в опит да елиминират ХИВ от ДНК на човешката клетка. Резултатите бяха само отчасти успешни, но много изследователи продължават да са убедени, че технологията може да допринесе за откриването на лек за СПИН. В рамките на експерименти учените са използвали CRISPR и за да изчистят прасета от вируси, които не позволяват органите им да бъдат трансплантирани на хора. Еколозите проучват начини, по които технологията да помогне за опазването на застрашени видове. Освен това специалистите по растителна биология, които работят с най-разнообразни култури, са се нагърбили да премахнат гените, които привличат вредителите. По този начин, като се основава на биологията, а не на химикалите, CRISPR би могла да намали нашата зависимост от токсични пестициди. Няма друго научно откритие през последния век, което да е по-обещаващо – или пък да повдига по-тревожни етични въпроси. Най-провокативният от тях е, че ако CRISPR се използва за „редактиране“ на зародишната линия на човешки ембрион (клетките, съдържащи генетичния материал, който може да се наследи от следващото поколение) – или за да бъде коригиран генетичен дефект, или за да се усили желана черта, то след това промяната ще се предаде на децата на въпросния човек, а после на техните деца и т.н. Трудно е, ако не и невъзможно, да предвидим пълните последствия от подобни дълбоки промени. „Технологията е забележителна и има множество страхотни приложения. Но ако ще предприемате нещо толкова съдбоносно като пренаписването на зародишната линия, то ще е най-добре да успеете да ме убедите, че има основателна причина да го направите.“ Думите са на Ерик Ландър, който е директор на института „Броуд“ към Харвард и Масачусетския технологичен институт (МТИ) и който беше начело на Проекта за човешкия геном. „И ще е най-добре да сте в състояние да докажете, че обществото е решило да постъпи така – и че няма да се случи, освен ако няма широко съгласие по въпроса.“ CRISPR-Cas9 има два компонента. Първият е ензимът Cas9, който функционира като клетъчен скалпел, който разрязва ДНК. (В природата бактериите го използват, за да прекъснат и обезвредят генетичния код на нападащите ги вируси.) Другият представлява насочваща РНК, която направлява скалпела точно към нуклеотидите – химичните букви на ДНК, които трябва да отреже. (Учените рядко споменават в разговор термина Cаs9 – нито пък тромавата терминология, която се крие зад CRISPR: clustered regularly interspaced short palindromic repeats – „групирани равномерно разпределени кратки палиндромни повторения“.) Точността на водача е свръхестествена; учените могат да поставят синтетична заместваща част на което и да било място в геном, състоящ се от милиарди нуклеотиди. Когато достигне до местоназначението си, ензимът Cas9 изрязва нежеланата ДНК последователност. За да закърпи пробива, клетката вкарва на мястото веригата нуклеотиди, която е била доставена в пакета CRISPR. Въз основа на моделите на други пренасяни от комари болести Центърът за контрол и превенция на заболяванията на САЩ прогнозира, че когато епидемията от зика в Пуерто Рико приключи, поне една четвърт от общо 3,5-милионното население на страната може да се е заразило. Това означава, че вероятно ще се заразят хиляди бременни жени.

Понастоящем единственият наистина ефективен метод за борба със зика би бил да окъпем целия остров в инсектициди. Джеймс и други учени твърдят, че препрограмирането на комарите с CRISPR и прилагането на генетичен драйв, за да станат промените постоянни, предлага далеч по-добър начин. Генeтичният драйв има силата да отмени традиционните правила на наследствеността. Обикновено потомството на всяко животно, което се размножава полово, получава по едно копие на даден ген от всеки родител. Някои гени обаче са „себични“: еволюцията ги е надарила с шанс над 50% да бъдат унаследени. Теоретично погледнато, учените биха могли да комбинират CRISPR с генетичен драйв, за да променят генетичния код на даден вид, като прикачат желаната ДНК последователност към подобен фаворизиран ген и после оставят животните да се чифтосват естествено.

Заедно двата инструмента биха могли да наложат в една популация почти всяка генетична черта. Миналата година в изследване, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences, Джеймс използвал CRISPR, за да създаде вариант на комарите Anopheles, който е неспособен да разпространява паразита на маларията. „Десетилетия наред се трудя в анонимност, но край с това. Вече седмици наред телефонът не спира да звъни“ – каза Джеймс.

Борбата срещу Ae. aegypti, който пренася толкова много различни патогени, ще изисква малко по-различен подход. „Това, което ще трябва да направим – каза ми той, – е да конструираме генетичен драйв, който да направи насекомите стерилни. Няма смисъл да създадем комар, който е резистентен към зика, ако все още може да пренася денга и други болести.“

За да се справят с денга, Джеймс и неговите колеги проектирали пакети CRISPR, които биха могли просто да изтрият един естествен ген от дивия родител и да го заменят с ва­риант, който да предизвика стерилитет при по­томството. Ако достатъчен брой комари бъдат пуснати да се чифтосват, само след няколко поколения (които обикновено траят по две-три седмици едното) целият вид вече ще носи модифицирания вариант.

Джеймс ясно съзнава, че освобождаването на мутация, проектирана да се разпространи бързо в дива популация, би могла да има непредвидени последствия, които трудно ще бъдат върнати назад. „Със сигурност са налице рискове – каза той, – съпътстващи пускането на свобода на насекоми, които са видоизменени в лаборатория. Но смятам, че опасностите от това да не го направим са много по-големи.“

Изминали са над 40 години, откакто учените открили как да режат нуклеотиди от гените на един организъм и да ги вкарват в тези на друг с цел да получат желани черти. Молекурялните биолози били очаровани от възможностите, които им разкрила практиката, наричана „рекомбинантна ДНК“. Но още от началото разбрали и че ако са в състояние да пренасят ДНК между видове, то не е изключено неволно да прехвърлят и вируси и други патогени. През 1975 г. група молекулярни биолози от цял свят постигнали съгласие по поредица предпазни мерки, включително нивата на сигурност на лабораториите, която се увеличавала паралелно с потенциалните рискове от експериментите.

Скоро станало ясно, че защитите изглежда работят и че потенциалните ползи са огромни. Генетичното инженерство започнало да подобрява живота на милиони хора. Например диабетиците можели да разчитат на гарантирани доставки на генетично модифициран инсулин. Генетично модифицираните култури започнали да преобразяват селскостопанския пейзаж на много места по света.

Но макар генетично модифицираната медицина да получила широко признание, това не е така по отношение на създадените по същия начин култури – въпреки купищата изследвания, които показват, че подобни продукти не са по-опасни за ядене от която и да било друга храна.

CRISPR може би предлага изход от това научно и културно тресавище. Определенията на термините „трансгенен“ и „ГМО“ се основават на практиката на комбинирането на ДНК от видове, които никога не биха могли да се чифтосат в природата. Учените обаче се надяват, че използването на CRISPR за видоизменяне на ДНК би умилостивило опозицията. Технологията позволява променянето на конкретни гени, без да е необходимо да се използва ДНК от друг вид.

Например златният ориз е ГМО, който е модифициран така, че да съдържа гените, необходими за производството на витамин А в ядливата част на растението – нещо, което не се случва по естествен път в оризовите растения. Всяка година може би половин милион деца в развиващите се страни ослепяват от липсата на витамин А, само че анти-ГМО активистите са се намесили в изследователската работа и са възпрепятствали всяко търговско отглеждане на ориза. С помощта на CRISPR учените почти със сигурност ще успеят да постигнат същия резултат просто като видоизменят гените, които вече са активни в оризовите растения.

Изследователи в Япония са използвали CRISPR, за да удължат живота на доматите, изключвайки гените, които контролират зрее­нето. Като изтрили всичките три копия от един ген на пшеницата, Цайся Гао и ней­ният екип от Китайската академия на науките в Пекин създали сорт, който е резистентен към брашнеста мана.

Вече хиляди години селските стопани променят гените в отделни видове, като ги кръстосват. CRISPR просто предлага по-прецизен метод за същото нещо. В някои страни, например Германия, Швеция и Аржентина, законодателите са разграничили ГМО от видоизменянето с инструменти като CRISPR.

Трудно бихме могли да омаловажим потенциала на CRISPR да подобри човешката медицина. Технологията вече е преобразила онкологичните изследвания, като е улеснила създаването на туморни клетки в лабораторни условия и тестването на различни лекарства, за да се установи кое от тях може да спре растежа им. Скоро лекарите може би ще могат да използват CRISPR за пряко лечение на някои заболявания.

Например стволовите клетки на хора с хемофилия биха могли да бъдат видоизменени извън тялото, за да бъде коригиран генетичният дефект, който е причина за болестта, и после вече нормалните клетки да бъдат върнати и да населят отново кръвообращението на пациента.

През следващите две години може би ще станем свидетели на дори по-драматичен напредък в медицината по отношение на трансплантацията на органи. Години наред учените търсят начин да използват животински органи, за да облекчат недостига на донори. Отдавна са се спрели на прасетата отчасти защото големината на органите им е подобна на нашите. Но геномът на прасето е осеян с вируси, наречени PERV (свински ендогенни ретровируси), които са сходни с вируса, който причинява СПИН, и е доказано, че могат да инфектират човешки клетки. Доскоро никой не беше в състояние да отърве прасетата от техните ретровируси.

Сега, използвайки CRISPR, за да редактират генома на свинските органи, група учени, начело с Джордж Чърч, професор в Харвардското медицинско училище и МТИ, прилагат технологията за отстраняването на всичките 62 местонахождения на PERV от бъбречна клетка на прасе. Когато в лабораторията учените смесили видоизменените клетки с човешки клетки, нито една от последните не се инфектирала. Освен това в друга група свински клетки екипът променил 20 гена, за които се знае, че предизвикват реакции в човешката имунна система.

Сега вече Чърч е клонирал тези клетки и е започнал да ги отглежда в свински ембриони. Очаква да започне клинични тестове с примати в рамките на една-две години. Ако органите функционират добре и не бъдат отхвърлени от имунните системи на приматите, следващата стъпка би била тестове с хора.

Чърч винаги е искал да открие начин да осигури органи за трансплантиране на хора, които не са считани за достатъчно здрави, за да ги приемат. „Нeщото в тази страна – каза той, – което най-много се доближава до дилемата „живот или смърт“, е взимането на решение на кого може да се трансплантира орган. Много от тези решения се основават на това какво още ти има. Много хора биват отхвърлени, тъй като страдат от инфекциозни заболявания или зависимост от наркотици – най-различни причини. А заблудата в случая е, че те не биха имали полза от органа. Разбира се, че биха имали. И ако разполагаш с колкото искаш органи, ще можеш да дадеш на всеки.“

Чернокракият пор е един от най-застрашените бозайници в Северна Америка. На два пъти през последните 50 години еколозите са приемали, че поровете, някога многобройни из Големите равнини, са изчезнали. Били на крачка от това: всички чернокраки порове днес са потомци на един от седем прародители, открити през 1981 г. в Уайоминг. Но след поколения кръстосване с близки родственици поровете са лишени от генетично разнообразие, което би затруднило оцеляването на който и да било вид. „Поровете са класически пример за това как един цял вид може да бъде спасен чрез геномна технология“ – казва Райън Фелан от организацията „Възроди и възстанови“, която координира усилията геномиката да се използва за природозащитни цели. В сътрудничество със „Замразения зоопарк“ в Сан Диего, Фелан и нейните колеги се опитват да увеличат разнообразието при поровете, като вкарат в геномите им различна ДНК от два индивида, замразени преди 30 години.

Работата на Фелан може да предостави решение за две заплахи. Първата е липсата на храна: прерийните кученца, основната плячка на поровете, били изтребени от чума, причинена от същата бактерия, която предизвиква бубонната чума при хората. Болестта е фатална и за самите порове, които се заразяват, като ядат прерийни кученца, умрели от нея. Създадена през 90-те години на ХХ в. ваксина срещу човешката чума изглежда осигурява доживотен имунитет на поровете. Екипи от Службата за рибата и дивите животни са уловили, ваксинирали и пуснали на свобода колкото може повече порове (на свобода живеят няколкостотин).

Кевин Есвелт, работил заедно с Чърч по технологията CRISPR и генетичния драйв, е предложил по-добро решение. „Всичко, което ти трябва, е да осигуриш резистентност“ – обяснява той – чрез закодирането на антитела, генерирани от ваксинирането, които после да бъдат вкарани в ДНК-то на поровете. Есвелт смята, че подобен подход не само ще помогне на поровете да се спасят от чумата, но също така би допринесъл за изкореняването на лаймската болест, която се причинява от бактерии, пренасяни от кърлежи, които обикновено се хранят от белоноги мишки. Ако резистентността към заболяването би могла да се вкара в ДНК-то на мишките посредством CRISPR и след това се разпространи сред дивата популация, болестта би могла да бъде ограничена или елиминирана с малко видими екологични последствия. Само че и Есвелт, и Чърч са твърдо убедени, че подобни експерименти не трябва да се правят без публично обсъждане и без учените, които ги провеждат, да са измислили и реверсивна система – един вид антидот. Ако първоначалните намеси доведат до непредвидени екологични последствия, те биха могли да вкарат антидота в популацията и да ги неутрализират.

Чернокраките порове съвсем не са единствените застрашени животни, които биха могли да бъдат спасени чрез CRISPR и генетичен драйв. Птичата популация на Хаваите бързо изчезва най-вече заради един вид малария, която заразява пернатите. Преди китоловците да докарат комарите в началото на XIX в., птиците на Хавайските острови не били изложени на заболявания, пренасяни от комари, и съответно нямали имунитет. Сега са останали едва 42 от над сто ендемични за Хаваите видове птици, а три четвърти от тях са регистрирани като застрашени. Птичата малария не е единствената заплаха за остатъка от местните хавайски птици, но ако не бъде спряна – а генното модифициране изглежда е най-добрият начин за това, – всички те ве­роятно ще изчезнат.

Джак Нюман е бивш главен научен сътрудник в „Амирис“, където било поставено началото на разработването на синтетичен артемизинин – единственото наистина ефикасно лекарство за маларията при хората. Понастоящем е съсредоточил голяма част от работата си върху елиминирането на пренасяните от комари болести по птиците. Днес единственият метод да защитим птиците от маларията е да убием комарите, като разпръснем силни химикали върху огромна площ. И дори това дава само частичен успех.

„За да убие един комар – казва Нюман, – инсектицидът трябва фактически да го докосне.“ Много от тези насекоми живеят и се размножават дълбоко в хралупи по дърветата или в пукнатини в скалите. Да бъдат достигнати от инсектицидите почти със сигурност би довело до отравянето на голяма част от естествения живот в хавайската джунгла. Но генното модифициране, което ще доведе до стерилни комари, би могло да помогне за спасяването на птиците, без за унищожи околната им среда. „Да използваме генетиката, за да спасим тези видове – казва Нюман, – е просто един невероятно прецизен начин да се справим с най-различни екологични проблеми. Птичата малария руши дивата природа на Хаваите, а има начин да я спрем. Наистина ли сме готови просто да си седим и да гледаме?“

През февруари тази година директорът на Националното разузнаване на САЩ Джеймс Клапър предупреди в годишния си доклад пред Сената, че технологии като CRISPR трябва да се разглеждат като потенциални оръжия за масово унищожение. Мнозина учени счетоха този коментар за неоснователен или поне за малко краен. Има по-лесни начини за терористите да нападат хората от това да замислят нови напасти по посевите или смъртоносни вируси.

Въпреки това би било недалновидно да се преструваме, че всички тези нови молекулярни инструменти не крият потенциала да донесат вреди (включително, а може би и най-вече случайни). Учените, които в най-голяма степен са отговорни за напредъци като CRISPR, са единодушни, че когато започнем да бърникаме генетичното наследство на друг вид – да не говорим за нашия собствен, – може би няма да бъде лесно или дори възможно да се върнем назад.

„Какви са неумишлените последствия от модифицирането на генома?“ – попита Дженифър Дудна, докато разговаряхме в кабинета є в Калифорнийския университет в Бъркли, където тя е професор по химия и молекулярна биология. През 2012 г. Дудна и нейната френска колежка Еманюел Шарпантие първи демонстрирали, че учените могат да използват CRISPR, за да модифицират пречистена ДНК в лабораторни блюда. „Не знам дали знаем достатъчно за човешкия геном – а може би и за който и да било друг геном, за да дадем изчерпателен отговор на този въпрос. Но хората ще използват технологията независимо дали знаем достатъчно или не.“

Колкото по-бързо науката тласка човечеството напред, толкова по-плашеща изглежда. Винаги е било така. Биологията тип „домашен майстор“ вече е факт; скоро почти със сигурност ще бъде възможно да експериментираме с CRISPR по същия начин, както предходните поколения гаражни изобретатели са се занимавали с аматьорски радиа и примитивни компютри. Има смисъл да се притесняваме от вероятността аматьори да си служат с инструменти, които могат да променят фундаменталната генетика на растенията и животните.

Но ползите от въпросните инструменти също са реални – както и рисковете, ако ги пренебрегнем. Всяка година комарите причиняват огромни страдания по цял свят, а изкореняването на маларията или друга пренасяна от тях болест ще се нареди сред най-големите постижения на медицината. Въпреки че очевидно е твърде рано да се замисляме за прилагането на CRISPR към жизнеспособни човешки ембриони, има и други начини да коригираме човешката зародишна линия, които биха могли да излекуват болести, без да променят генетичното родословие на нашия вид.

Например децата, родени с болестта на Тай-Сакс, не притежават ключов ензим, който е необходим на тялото, за да метаболизира отпадъчно мастно вещество в мозъка. Заболяването е много рядко и се задейства единствено когато и двамата родители предадат дефектния вариант на гена на детето си. С помощта на CRISPR би било лесно да се третира приносът на единия родител – например сперматозоидите на бащата – с цел да се предпази детето да не получи две копия от лошия ген. Подобна намеса очевидно ще спаси животи и ще намали вероятността от рецидив на заболяването. Същият резултат вече се постига чрез оплождането ин витро: имплантирането в майката на чисти от болестта ембриони гарантира, че детето няма да я предаде на бъдещите поколения. Когато сме изправени пред трудно преценими рискове, ние сме силно предразположени да изберем бездействието. Но когато на карта са заложени милиони животи, бездействието само по себе си е опасно. Миналия декември учени от цял свят се събраха във Вашингтон, за да обсъдят трудната етика на подобни избори. Планират се още дискусии.

Никога няма да има прости отговори, но без насочващи регулации – а за момента няма такива за модифицирането на човешка ДНК – невъобразимият потенциал на тази революция ще чезне в сянката на страха.

„Благодарение на генетичния драйв и CRISPR днес разполагаме с власт над всички видове, за каквато не сме и мечтали – казва Ханк Грийли, директор на Станфордския център за право и бионауки. – Потенциал-ното добро, което можем да направим, е колосално. Но трябва да съзнаваме, че си имаме работа с фундаментално нов вид власт, и да измислим начин да я използваме мъдро. Понастоящем не сме подготвени да го правим, а нямаме време за губене.“ 

Цялата статия можете да прочетете в броя на National Geographic България от Август 2016
Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тук. разбрах