Тема генной инженерии сопровождается двумя крайностями: информационный вакуум или захват всех новостных повесток. Непостоянство внимания СМИ, а также практически полное игнорирование темы в образовании искусственно создает благодатную почву для манипулирования общественным мнением, особенно в такой этически и биологически непростой теме, как редактирование генов. Ведь все неизвестное – пугающе. Над какими проектами работают генные инженеры, и какие методы редактирования гена используются сегодня – в нашем материале.
Что такое генная инженерия
Прежде всего, генная инженерия – не отдельная наука, это огромная научно-техническая платформа, которая постоянно развивается, расширяется и трансформируется. Она вобрала в себя самые актуальные разработки из клеточной и молекулярной биологии, генетики, биохимии, микробиологии, химической инженерии и вирусологии.
В распоряжении генных инженеров третье поколение инструментов, которые позволяют корректировать наследственную информацию, посредством редактирования генов. Первое поколение – селекция, которая развивалась без участия науки на протяжении тысячелетий. Второе – индуцированный мутагенез, используя который было выведено более 2250 сортов растений. Первооткрыватель законов наследственности, Грегор Мендель, в 1865 году описал наследственность на примере скрещиваемого им гороха.
Основная стратегия селекции заключается в улучшении хорошо адаптированных сортов растений путем изменения одного или двух признаков, которые ограничивают продуктивность или устойчивость к болезням и вредителям. В условиях растущего населения планеты, а, соответственно, и спроса на продукты питания, аграрии не могут позволить себе положиться на удачу: будет ли урожайным год.
Аналогичный успех ученые хотят повторить и на человеческом виде: заменив «дефектные» участки ДНК на здоровые. Идея избавления от тяжелых наследственных заболеваний путем редактирования генов (генная терапия) выглядит заманчиво и перспективно с точки зрения медицины. Этическая сторона – превращение человека в конструктор с нужным набором качеств, а также новизна направления (со 100% уверенностью нельзя сказать, как искусственные мутации будут влиять на организм) — отрицательно сказывается на скорости развития генной индустрии.
Как редактируют гены
Для того, чтобы исправление генов было возможным, не достаточно иметь нужный ген человека, необходимо точно знать на каком из участков его расположить: ДНК содержит больше 3 млрд. букв нуклеотидов. После того, как в 1868 году Иоганн Фридрих Фишер из гноя клеток выделил ранее неизвестное вещество, которое, исходя из свойств, назвал нуклеиновой кислотой (НК), научное сообщество проделало большой объем работы, позволивший определить последовательность расположения НК. Процесс определения нуклеотидной последовательности называется секвенирование.
Сегодня используется несколько способов секвенирования:
- по Сэнгеру. Используется для «чтения» небольших участков генома/гена;
- метод NGS. Отличается большей производительностью, считывая десятки геномов за один запуск прибора.
Методы редактирования генома
Первый успешный эксперимент по сплайсингу генов (процесс редактирования отдельных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК) провела группа ученых Стэнфордского университета под началом биохимика Пола Берга в 1972 году. Им удалось «сшить» фрагменты ДНК, получив рекомбинантную ДНК, в составе которой были геномы онкогенного вируса SV40 и умеренного бактериофага λ, заражающего кишечную палочку. Полученное «соединение» безусловно оказало важное влияние на развитие генетики, но для генной инженерии необходимо было найти более точные методы.
Благодаря открытию методов секвенирования, а также тому, что генетики по всему миру использовали разные подходы, удалось выяснить, что у бактерий есть короткие повторяющиеся участки CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), на которых записывается информация о том, с ДНК каких вирусов им приходилось сталкиваться. Специальные белки Cas9 («генные ножницы») пользуются этими данными, которые сравнивают вновь поступившие фрагменты ДНК, и в случае совпадения разрезают спираль.
Для того, чтобы ножницы разрезали в нужном месте и «ремонт» проходил как можно быстрее, ученые используют короткую молекулу-гид и исправленный фрагмент ДНК (гомологическая репарация). Преимущество метода в том, что исправления, внесенные методом CRISPR/ Cas9 (был открыт и испытан биологами Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье в 2011 году), наследуются потомками, а значит, избавляется целое поколение от генетических нарушений. В октябре 2016 года в Китае был проведен эксперимент по редактированию генома взрослого человека. Ученые Сычуаньского университета ввели пациенту (диагноз – рак легких) модифицированные Т-лимфоциты.
Также в США используют CRISPR/ Cas9 для борьбы с наследственными заболеванием крови — бета-талассемией и серповидноклеточной анемией. Результаты обещают опубликовать в 2022 году.
Резонансной новостью стал эксперимент китайского ученого Хэ Цзянькуя (He Jiankui), который в 2018 году отредактировал геном человека, сделав его невосприимчивым к ВИЧ. Подобных экспериментов с эмбрионами десятки, они не запрещены, но есть единственное ограничение — подсаживание эмбриона и его выращивание возможно вплоть до рождения.
Хэ внес изменения в геном двух девочек-близняшек, кстати, только у одного из детей выработалась невосприимчивость к ВИЧ, и позволил им родиться. Ученые опасаются, что это вмешательство может стать причиной появления других заболеваний, в частности онкологических. Хэ Цзянькуя был осужден к 3 годам тюремного заключения и штрафу в $430 тыс., а за здоровьем девочек будут пристально следить ученые.
Несмотря на важность открытия, восстановление после разреза CRISPR/ Cas9 проходят медленнее и не всегда точно, что может приводить к полному разрушению гена, поэтому учеными из Гарварда был предложен новый метод — CRISPR/ Cas. Отличие его в том, что он не делает двунитиевый разрыв, а исправляет только одну «букву» кода.
Чтобы расширить возможности CRISPR/ Cas, Дэвид Лю и гарвардские ученые разработали праймированное редактирование генов (prime editing extended guide RNA). Метод позволяет определять и «дефектное место», и доставлять нужную информацию. Этот универсальный подход может использоваться для редактирования и полного переписывания любых генов.
Генная инженерия: растущая индустрия
Мировыми лидерами в генной инженерии сегодня являются Китай и США. В Поднебесной выделяются огромные инвестиции для развития направления, в то время как США отличается отличной технической базой для исследований.
В России также стараются не отставать от генных разработок: генетик Денис Ребриков объявил о намерении использовать редактирование для устранения мутаций, вызывающих глухоту.
| Название компании | Страна | Направление |
|---|---|---|
| Ginkgo Bioworks Ginkgo | США | Биотехнологические решения для сельского хозяйства и здоровья человека |
| Indigo Agriculture | США | Сельское хозяйство, повышение выживаемости культурных растений |
| eGenesis | США | Модификации генов и геномной инженерии |
| Synthego | США | Разрабатывают высокоточный инструмент для автоматизации инженерных исследований генома. |
| BIOCAD | Россия | Генетика и генная терапия |
Какие проблемы способна решить данная наука
Для редактирования генома каждого живого организма необходим свой собственный протокол, однако подходы остаются неизменными для всех. Теоретически, редактирование гена позволяет повышать и устойчивость пшеницы к засухе, и человеческий организм к вирусам и наследственным заболеваниям, таким как:
- онкология;
- наследственные заболевания крови;
- муковисцидоз;
- слепота, глухота;
- СПИД;
- мышечная дистрофия;
- Болезнь Хантингтона и другие, генетически наследуемые, заболевания.
Кроме того, в ходе изучения генома ученым открываются новые данные о природе клеток, что позволяет создавать новые лекарства и продукты, решать массу задач как прикладного, так и фундаментального плана.
Камнем преткновения, является неизвестность в будущем: то, как поведет себя отредактированный ген через несколько десятилетий предугадать сложно, а также насколько широки будут предоставляемые функции. Ограничатся ли ученые только болезням, или начнут редактировать гены эмбрионов по запросу родителей, подбирая «предпочтительные» черты характера?
Наше поколение только в начале развития генной индустрии, но уже сейчас можно сказать, что впереди нас ждут большие открытия.
