Η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών χθες το Νόμπελ Χημείας για 2020 στην Εμανουέλ Σαρπαντιέ (Emmanuelle Charpentier) και την Τζένιφερ Ντούντνα (Jennifer Doudna) για την εργασία τους πάνω στο CRISPR, μια μέθοδο επεξεργασίας του γονιδιώματος. Το CRISPR είναι μία επαναστατική τεχνική ακριβούς κατάτμησης και τροποποίησης του DNA, είτε αυτό ανήκει σε άνθρωπο ή ζώο, είτε σε βακτήριο, είτε σε φυτό -μερικές φορές λέγεται και “μοριακό ψαλίδι”.
Τι γονιδίωμα είναι το πλήρες σύνολο γενετικών «οδηγιών» που καθορίζουν πώς θα αναπτυχθεί ένας οργανισμός. Χρησιμοποιώντας το CRISPR, οι ερευνητές μπορούν να κόψουν το DNA στο γονιδίωμα ενός οργανισμού και να επεξεργαστούν την αλληλουχία του. Η τεχνολογία CRISPR είναι μια κινητήρια δύναμη για τη βασική έρευνα και αλλάζει τον κόσμο στον οποίο ζούμε. Υπάρχουν χιλιάδες ερευνητικές εργασίες που δημοσιεύονται κάθε χρόνο σχετικά με τις διάφορες εφαρμογές της. Αυτές περιλαμβάνουν την επιτάχυνση της έρευνας για τους καρκίνους, τις ψυχικές ασθένειες, τις πιθανές μεταμοσχεύσεις οργάνων από ζώο σε άνθρωπο, την καλύτερη παραγωγή τροφής, την εξάλειψη των κουνουπιών που μεταφέρουν ελονοσία και τη διάσωση των ζώων από ασθένειες.
Η Charpentier είναι διευθύντρια στο Max Planck Institute for Infection Biology στο Βερολίνο και η Doudna είναι καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. Και οι δύο έπαιξαν κρίσιμο ρόλο στην επίδειξη του τρόπου με τον οποίο το CRISPR θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη στόχευση αλληλουχιών DNA που μας ενδιαφέρουν.
Εκμεταλλευόμενοι τη βακτηριακή ανοσία
Η τεχνολογία CRISPR είναι προσαρμοσμένη από ένα σύστημα που υπάρχει φυσικά σε βακτήρια και άλλους μονοκύτταρους οργανισμούς γνωστούς ως αρχαία. Αυτό το φυσικό σύστημα δίνει στα βακτήρια μια μορφή επίκτητης ανοσίας. Τους προστατεύει από ξένα γενετικά στοιχεία (όπως εισβάλλοντες ιούς) και τους αφήνει να τα «θυμούνται» σε περίπτωση που επανεμφανιστούν -ένα είδος ανοσίας.
Όπως οι περισσότερες πρόοδοι στη σύγχρονη επιστήμη, η ανακάλυψη του CRISPR και η ανάδειξή του ως βασικής μεθόδου επεξεργασίας του γονιδιώματος περιελάμβανε προσπάθειες πολλών ερευνητών, για αρκετές δεκαετίες.
Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, οι ερευνητές παρατήρησαν πως ορισμένα βακτήρια έχουν τη δυνατότητα να αποικοδομούν το ξένο DNA που εισέρχεται σε αυτά, όπως αυτό ενός ιού που εισέρχεται μέσα τους (βακτηριοφάγου) με τη βοήθεια ενζύμων. Το 1987, ο Ιάπωνας μοριακός βιολόγος Yoshizumi Ishino και οι συνεργάτες του ήταν οι πρώτοι που παρατήρησαν, στα βακτήρια E. coli, ασυνήθιστες συστάδες επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών DNA που διακόπτονταν από σύντομες αλληλουχίες. Ο Ισπανός μοριακός βιολόγος Francisco Mojica και οι συνεργάτες του αργότερα έδειξαν ότι παρόμοιες δομές υπήρχαν και σε άλλους οργανισμούς και πρότειναν να τους ονομάσουν CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats: «ομαδοποιημένες τακτικά διαχωριζόμενες σύντομες παλινδρομικές επαναλήψεις»). Το 2005, o Mojica και άλλες ομάδες ανέφεραν ότι οι σύντομες αλληλουχίες (ή «διαχωριστές») που διακόπτουν τις επαναλήψεις προέρχονται από άλλο DNA που ανήκει σε ιούς. Οι εξελικτικοί βιολόγοι Kira Makarova, Eugene Koonin και οι συνεργάτες τους πρότειναν ότι το CRISPR και τα σχετικά γονίδια Cas9 δρούσαν ως ο ανοσοποιητικός μηχανισμός. Αυτό επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 2007 από τον Rodolphe Barrangou και τους συνεργάτες του.
Τα γονίδια που σχετίζονται με το CRISPR, τα Cas9, κωδικοποιούν την πρωτεΐνη CAS9 την που «κόβει» το DNA. Το πρώτο βήμα είναι να κοπεί η διπλή έλικα του DNA από την πρωτεΐνη CAS9. Προκειμένου η πρωτεΐνη CAS9 να εντοπίσει το στόχο της, χρειάζεται επιπλέον βοηθό, το guide RNA ή gRNA, που καθοδηγεί την CAS9 σε συγκεκριμένη θέση στο γονιδίωμα. Αυτό είναι το ενεργό μέρος της άμυνας κατά των ιών, καθώς καταστρέφει το DNA του εισβολέα. Όταν ένας ιός προσβάλει το βακτηριακό κύτταρο, το σύστημα CRISPR του βακτηρίου αιχμαλωτίζει ένα τμήμα του DNA του ιού και το ενσωματώνει στο δικό του DNA. Με τον τρόπο αυτό το βακτήριο θυμάται τον ιό από τον οποίο προήλθε και εξουδετερώνει την επίθεση καταστρέφοντας το γονιδίωμα του ιού που είναι απαραίτητο για την αναπαραγωγή του -αποκτά δηλαδή ανοσία.
Το 2012, οι Charpentier και Doudna έδειξαν ότι οι διαχωριστές λειτουργούσαν ως δείκτες που καθοδηγούσαν το σημείο που τα Cas9 θα έκαναν μια τομή στο DNA. Έδειξαν επίσης ότι ένα τεχνητό σύστημα Cas9 θα μπορούσε να προγραμματιστεί για να στοχεύει οποιαδήποτε αλληλουχία DNA σε εργαστηριακό περιβάλλον. Αυτή ήταν μια πρωτοποριακή ανακάλυψη που άνοιξε την πόρτα για τις ευρύτερες εφαρμογές του CRISPR στην έρευνα. Σήμερα, οι επιστήμονες μπορούν να αντιγράψουν τον τρόπο που δουλεύει το CRISPR και να κόψουν, να ράψουν ή να αντικαταστήσουν κομμάτια του DNA κατά βούληση, χρησιμοποιώντας την τεχνική αυτή σε DNA οποιασδήποτε προέλευσης.
Το 2013, για πρώτη φορά, ομάδες με επικεφαλής τον Αμερικανό βιοχημικό Feng Zhang και τον γενετιστή George Church ανέφεραν επεξεργασία γονιδιώματος σε καλλιέργειες ανθρώπινων κυττάρων χρησιμοποιώντας το CRISPR-Cas9. Έκτοτε έχει χρησιμοποιηθεί σε αμέτρητους οργανισμούς από μαγιά μέχρι αγελάδες, φυτά και κοράλλια. Σήμερα, το CRISPR είναι το προτιμώμενο εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας για χιλιάδες ερευνητές.
Ατελείωτες εφαρμογές
Οι άνθρωποι έχουν αλλάξει το γονιδίωμα των ειδών εδώ και χιλιάδες χρόνια. Αρχικά, αυτό γινόταν μέσω προσεγγίσεων όπως η επιλεκτική αναπαραγωγή. Ωστόσο, η γενετική μηχανική -ο άμεσος χειρισμός του DNA από τον άνθρωπο εκτός αναπαραγωγής και μεταλλάξεων- υπάρχει μόνο από τη δεκαετία του 1970. Τα συστήματα που βασίζονται στο CRISPR άλλαξαν ριζικά αυτό το πεδίο, καθώς επιτρέπουν την επεξεργασία γονιδιωμάτων σε ζωντανούς οργανισμούς φθηνά, εύκολα και με εξαιρετική ακρίβεια.Το CRISPR έχει επί του παρόντος τεράστιο αντίκτυπο στην υγεία.
Μία εφαρμογή είναι η θεραπεία γενετικών ασθενειών. Η τεχνική αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να διορθώσει ένα μεταλλαγμένο γονίδιο και να μειώσει ή να εξαφανίσει τα συμπτώματα μια γενετικής νόσου. Υπάρχουν κλινικές δοκιμές σχετικά με τη χρήση του για αιματολογικές διαταραχές όπως η δρεπανοκυτταρική αναιμία και η βήτα-θαλασσαιμία, για τη θεραπεία της πιο κοινής αιτίας κληρονομικής παιδικής τύφλωσης (συγγενής αμαύρωση Leber) και για την ανοσοθεραπεία του καρκίνου. Με άλλα λόγια αποτελεί μια μέθοδο γονιδιακής θεραπείας.
Εκτός από τη θεραπεία των κληρονομικών ασθενειών, η τεχνική αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στις λοιμώδεις νόσους με την παρασκευή περισσότερο εξειδικευμένων αντιβιοτικών που στοχοποιούν συγκεκριμένα βακτηριακά στελέχη.
Το CRISPR έχει επίσης μεγάλες δυνατότητες στην παραγωγή τροφίμων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της ποιότητας, της απόδοσης, της αντοχής στις ασθένειες και της αντοχής στα ζιζανιοκτόνα. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα ζώα και να οδηγήσει σε καλύτερη αντοχή στις ασθένειες, αυξημένη καλή διαβίωση των ζώων και βελτιωμένα παραγωγικά χαρακτηριστικά – δηλαδή ζώα που παράγουν περισσότερο κρέας, γάλα ή μαλλί υψηλής ποιότητας. Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία φυτών με επιθυμητά χαρακτηριστικά, όπως η ευκολότερη και μαζικότερη καλλιέργεια και η αντοχή στα παράσιτα.
Ωστόσο, υπάρχουν πολλές προκλήσεις για την τεχνολογία. Ορισμένες είναι τεχνικές, όπως ο κίνδυνος αλλαγών εκτός στόχου (που συμβαίνουν όταν το Cas9 κόβει σε ανεπιθύμητες θέσεις στο γονιδίωμα. Τα άλλα προβλήματα είναι κοινωνικά. Η CRISPR χρησιμοποιήθηκε σε ένα από τα πιο αμφιλεγόμενα πειράματα των τελευταίων ετών. Ο Κινέζος βιοφυσικός He Jiankui προσπάθησε ανεπιτυχώς να χρησιμοποιήσει την τεχνολογία για να τροποποιήσει τα ανθρώπινα έμβρυα και να τα καταστήσει ανθεκτικά στον HIV (ιός ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας).
