Kriptonito, galinčio sustabdyti CRISPR, paieška

Konceptuali akmens popieriaus žirklių ir DNR, CRISPR ir Anti-crispr iliustracija ponia Tech; popieriaus DNR autorius: Jorge C. Lucero | Flickr; akmuo ir žirklės: pixabay

2016 m. rugsėjį Jennifer Doudna į savo biurą pasikvietė naują kolegą Kyle'ą Wattersą. Iki tol Kalifornijos universiteto Berklio biochemikas garsėjo kaip CRISPR išradėjas. Greito ir universalaus genų redagavimo įrankio išradimas atnešė jai pasaulinį žinomumą ir didelius turtus. Ji buvo kelių pradedančiųjų įmonių įkūrėja ir surinko milijonus mokslo premijų.

Tačiau grėsmingai, kaip ir Doudna atpasakojo , ją persekiojo sapnas, kuriame pasirodė Adolfas Hitleris, laikydamas rašiklį ir popierių, prašydamas CRISPR recepto kopijos. Kokį siaubingą tikslą galėjo turėti Hitleris? Doudna, perpasakodama savo sapną, nesakė.

Dabar Doudnos klausimas buvo, ar Wattersas norėtų dirbti, kad tai sustabdytų? Sustabdykite CRISPR.

CRISPR randamas bakterijų viduje. Tai milijardus metų senumo apsauga nuo plėšikų virusų, aptinkanti jų DNR ir naudojant žirkles primenantį baltymą, kad ją susmulkintų. Doudna atliko pagrindinį vaidmenį paverčiant radinį revoliuciniu genų redagavimo įrankiu, kuris buvo naudojamas visame pasaulyje ir paskatino naujų tyrimų ir galimi vaistai.

Bet jei mokslininkai išmoks į žmonių kūnus įnešti genų redaktorius, kas sutrukdys bepročiui, teroristui ar valstybei panaudoti CRISPR, kad padarytų žalą? Žmonės įsivaizduoja suasmenintus išpuolius, kurie smogtų tik tam tikroms etninėms grupėms arba superkareiviams, suredaguotiems taip, kad nejaustų skausmo. Doudna buvo gerai susipažinusi su dilema. Jos knygoje Įtrūkimas kūryboje , ji rašė, kad baiminasi, kad genų redagavimas gali patekti į pasaulio dėmesį, kaip tai padarė atominė jėga, grybų debesyje. Ar galėčiau aš ir kiti susirūpinę mokslininkai išgelbėti CRISPR nuo savęs... prieš įvykstant kataklizmui?

Dabar ji turėtų galimybę. Anksčiau 2016 m. JAV žvalgybos agentūros genų redagavimą įvardijo kaip potencialų masinio naikinimo ginklą. Tą rugsėjį įsitraukė Gynybos pažangių tyrimų projektų agentūra (DARPA), ragindama ieškoti naujų būdų, kaip kontroliuoti arba pakeisti genų redagavimo technologijos poveikį. Programa, vadinama Saugūs genai , baigtųsi su daugiau nei 65 mln. USD biudžetu, todėl tai būtų vienas didžiausių grynųjų pinigų šaltinių CRISPR tyrimams, neskaitant biotechnologijų startuolių, kuriančių naujus genetinius gydymo būdus.

Viena iš problemų, kaip matė DARPA, buvo tai, kad nebuvo jokios lengvai naudojamos atsakomosios priemonės, atšaukimo mygtuko ar priešnuodžio CRISPR. Ir kuo galingesnis tampa genų redagavimas, tuo daugiau mums jo gali prireikti – įvykus nelaimingam atsitikimui laboratorijoje ar dar blogiau. Kaip UC Berkeley pasakė 2017 m pranešimas spaudai Po to, kai Doudna, padedamas Watterso, prisiėmė dalį didžiosios DARPA sutarties, universitetas ketino sukurti priemones, skirtas kovoti su bioterorizmo grėsmėmis, įskaitant ginklus, kuriuose naudojamas pats CRISPR.

CRISPR ginklai? Paliksime jūsų vaizduotei, kaip tiksliai jis galėtų atrodyti. Vis dėlto galima drąsiai teigti, kad DARPA paprašė Doudnos ir kitų pradėti ieškoti profilaktinių gydymo būdų ar net tablečių, kurias galėtumėte vartoti, kad sustabdytumėte genų redagavimą, taip pat kaip galite nuryti antibiotikus, jei gavote juodligės laišką. Paštas. Mokslininkai pagal Doudnos projektą teigia, kad jie ketina pradėti pirminius bandymus su pelėmis, siekdami išsiaiškinti, ar graužikai gali būti apsaugoti nuo CRISPR redaktorių.

Ar galime išjungti CRISPR? – klausia Josephas S. Schoenigeris, vadovaujantis vienai gynybos pastangų grupei Sandia National Laboratories Livermore, Kalifornijoje. Būtent į tai ir žiūrime. Pagrindinė koncepcija yra ta, kad ši technologija atsiranda, [todėl] ar nebūtų malonu turėti „išjungimo“ jungiklį.

Jennifer Doudna Alexander Heinl/picture-alliance/dpa/AP Images

Anti-CRISPR

Tuo metu, kai Doudna parengė savo pasiūlymą DARPA, kiti mokslininkai jau turėjo vieną svarbų supratimą, kaip sustabdyti CRISPR. Senovėje kovoje tarp bakterijų ir jas užkrečiančių virusų, vadinamų fagais, fagas sukūrė savo priešnuodžius CRISPR. Tiesą sakant, jų genomai, kaip nustatyta, turi galimybę gaminti tai, kas iš esmės yra CRISPR kriptonitas – maži baltymai, puikiai suderinti evoliucijos metu, kad būtų išjungtas genų redagavimo įrankis. Mokslininkai šias molekules vadina anti-CRISPR.

Pirmuosius anti-CRISPR 2013 m. atrado Toronto universiteto studentas Josephas Bondy-Denomy. Tai buvo liūdnumas. Suklupome faktą, kad kai kurie fagai atrodė atsparūs CRISPR. Kai įdėjome fagą į ląstelę, bakterijos negalėjo apsisaugoti, sako Bondy-Denomy, dabar Kalifornijos universiteto San Franciske profesorius. Jis greitai nustatė vieną iš maždaug 50 viruso genų kaip priežastį. Pagalvojome, gal tai išjungia CRISPR.

Laboratorijų, tiriančių tokią gynybą, skaičius yra mažesnis nei dirbančių su CRISPR. Tačiau anti-CRISPR savaime tampa klestinčia sfera. Jau buvo rasta daugiau nei 40 anti-CRISPR baltymų, daugelis jų buvo Doudnos laboratorijoje. Kitos komandos anksti sėkmingai randa įprastines chemines medžiagas, kurios taip pat gali slopinti CRISPR. Šiandien Amit Choudhary iš Harvardo medicinos mokyklos Bostone, taip pat finansuojant DARPA, pranešė jis rado du vaistus, kurie užkerta kelią genų redagavimui susimaišius su žmogaus ląstelėmis. Bet kurios galingos technologijos bruožas yra valdymas, sako Choudhary. Tai taip paprasta.

Tyrėjai, tokie kaip Bondy-Denomy, mano, kad anti-CRISPR gali turėti įtakos gerinant būsimą genų redagavimo gydymą, suteikdami tyrėjams tikslesnę kontrolę. Pavyzdžiui, komanda Vokietijoje neseniai parodė, ar jie kartu CRISPR ir anti-CRISPR , jie galėtų sukurti redaktorių, kuris pakeis DNR tik kepenų ląstelėse, o ne neuronuose ar raumenyse.

Kita tiriama programa yra tai, ar anti-CRISPR gali sukurti apsaugą nuo genų diskų. Billo ir Melindos Geitsų fondas remia CRISPR įrankio, kuris plis per laukinius uodus ir sukels jų populiacijų katastrofą, kūrimą, siekdamas užkirsti kelią maliarijai. Kiti nori sukurti tokius genus pelėse, kad galėtų išnaikinti graužikus salose nenaudodami nuodų.

Bet ką daryti, jei šie eksperimentai nutrūks ir prives prie išnykimo? Tyrėjai mano, kad gali sukurti organizmus, kurių genomuose užprogramuotas anti-CRISPR, kad jie būtų atsparūs. Pradiniame principo įrodyme mokslininkai Kanzase praėjusiais metais sukūrė mielių ląsteles su anti-CRISPR, kad atsispirtų genų varymui. Jei kuri nors Šiaurės Korėjos laboratorija ateis į jus, turėdama genų paskatą sunaikinti ekonomiškai svarbią kultūrą, galite turėti transgeninį derlių, kuris [atsparus]. Toks yra piešimo lentos scenarijus, sako Erikas Sontheimeris iš Masačusetso universiteto medicinos mokyklos.

Biologinė staigmena

2012 m. viduryje atsiradęs CRISPR įrankis nustebino mokslininkus. Iš esmės per naktį genų inžinerijos būdus pakeitė pigios, universalios ir programuojamos priemonės, leidžiančios pakeisti DNR bet kokio gyvo organizmo viduje. Teigiama, kad prognozuotojai, kurių darbas buvo numatyti naujus pavojus, visiškai nepastebėjo CRISPR Renee Wegrzyn , biologinės gynybos mokslininkas, vykdantis DARPA programą. Nuolankus nesugebėjimas įžvelgti ateities greitai virto itin svarbiu nacionalinio saugumo klausimu.

Taip yra todėl, kad mokslininkai, gydytojai ir naujos įmonės, remiamos rizikos kapitalistų, pradėjo lenktynes, siekdamos išmokti CRISPR įdiegti augaluose, gyvūnuose ir žmonėse, naudojant virusus, injekcijas, nanodaleles ar elektros smūgius. Ir kuo geriau jiems tai pavyksta, tuo tikroviškesnė gali tapti kažkokia nauja biogrėsmė.

Iki 2015 m. Doudna taip pat pradėjo abejoti, kaip CRISPR buvo naudojamas įprastesniuose laboratoriniuose tyrimuose. Kai kurie eksperimentai atrodė pavojingi – kas būtų, jei abiturientas būtų sužeistas? Mes stumiame šias technologijas į pasaulį ir nepalydime jų saugumo priemonių, kurios turėtų būti, – sakė Wegrzyn. Fondas „Long Now“. , 2017 m., San Franciske. Aš tikrai pradėjau jausti skubos jausmą, kad kažkas turi ką nors padaryti.

Savo kalboje Wegrzyn teigė, kad CRISPR pavojus buvo akivaizdus iš to, kaip mokslininkai jau naudojo genų redagavimą, kad pelės susirgtų, iškirpdamos svarbius genus. Nemanau, kad jums reikia būti biologinio saugumo ekspertu, kad suprastumėte, jog reikia tikrinti, kai žiūrite į įrankį, kuris gali ir gydyti, ir sukelti ligas, sakė ji Kalifornijos susirinkimui. Jei mums reikia nedelsiant išjungti genų redaktorių, mes tiesiog nežinome, kaip tai padaryti.

Vis dar nesutariama, kaip pavojingas CRISPR gali būti netinkamose rankose. 2016 m. vasarą Centrinės žvalgybos valdybos remiamos Raudonosios komandos pratybos, kuriose grupės analitikų, vadinamų Jasonais, buvo paprašyta išsvajoti savo blogiausias idėjas, klausimo neišsprendė. Vėliau Nacionalinės mokslų, inžinerijos ir medicinos akademijos, Gynybos departamento prašymu, parengė visą galimų sintetinės biologijos grėsmių reitingą, CRISPR ginklus įtraukdamos į paketo vidurį. Kariškiai teigė nematantys neišvengiamo pavojaus kariams.

Doudna sutinka, kad CRISPR pavojai neturėtų būti pernelyg išpūsti. Aš dažnai gaunu šiuos klausimus apie CRISPR sistemas ir netinkamą naudojimą, ir jaučiu, kad dėl CRISPR nerimauju nei dėl kitų dalykų. Ji sako, kad kažkas galėtų susintetinti raupų virusą. Panašiai, nors jos tyrimai gali sukelti galimą genų redagavimo priešnuodį, jos laboratorijos darbas su anti-CRISPR daugiausia sprendžia pagrindinius biologinius klausimus. Aš vis dar esu pirmame žingsnyje, sako ji. Kaip tai veikia?

Tačiau kiti nerimauja, kad rizika jau akivaizdi ir priešnuodžiai negali būti pakankamai greitai. Pavyzdžiui, kai kurie mokslininkai siekė užkirsti kelią viešoms diskusijoms apie konkrečius CRISPR tyrimus arba net ištrinti jų paminėjimą iš interneto, tikriausiai tam, kad mokslininkai galėtų daugiau laiko parengti atsakomąsias priemones. Bendra vyraujanti nuostata – neduoti žmonėms košmarų kuro, kol aktyviai ieškome atsakymų. Visada nerimaujama dėl ankstyvo išsigimimo, sako buvęs Doudnos bendradarbis Wattersas, kuris 2018 m. genų redagavimo pasekmes biologiniam saugumui .

Vaizdo įrašas, kuriame CRISPR redaguoja DNR realiuoju laiku Osamu Nureki, „Nature Communications“.

CRISPR gynyba

Šiais metais, vykdydamos Doudnos DARPA projektą, mokslininkų komandos planuoja pradėti savo pirmuosius eksperimentus su pelėmis, kad nustatytų, ar įmanoma jas apsaugoti nuo CRISPR. Viena laboratorija, dalyvaujanti darbe, yra Sandia National Laboratories, kurioje bus naudojamos pelės, paruoštos redaguoti, nes jos sukurtos taip, kad gimtų su CRISPR molekulinėmis žirklėmis, baltymu, vadinamu Cas9, kiekvienoje ląstelėje.

Schoenigeris, vadovaujantis Sandia pastangoms, sako, kad netrukus jo laboratorija nurodys pelėms redaguoti save, bet taip pat duos joms anti-CRISPR molekulių kadrą, kad pamatytų, ar procesas nėra užblokuotas. Anti-CRISPR gerai veikia gamtoje, ir mes bandome išsiaiškinti, ar jis gerai veikia gyvūnams, sako jis.

Schoeniger mano, kad yra didelė atsitiktinio CRISPR agentų poveikio rizika. Didelė pramonės šaka sparčiai žengia prie redagavimo įrankio, todėl CRISPR formuojasi į genų terapiją, injekcijas, tepalus ir maistą, o tai padidina laboratorinės avarijos tikimybę. Netgi slapta biologinių ginklų programa labiau tikėtina, kad netyčia išlaisvins dizainerio mikrobą, nei pradės ataką. Kadangi žmonės tai naudoja vis didesniais kiekiais, padidėja tikimybė, kad žmonės susilies, bus subadyti ar apipurkšti, sako jis. O jei man į akis papurkštų mutageno, būtų malonu jį sustabdyti.

Darbas su priešnuodžiu taip pat gali būti naudingas kaip ir viešieji ryšiai. Schoeniger sako, kad tai bent jau gali sumažinti psichinę prieigą prie piktybinės asmenybės. Jei galite jį išjungti, galbūt jie nesivargins. Psichologiniu požiūriu malonu turėti „išjungimo“ mygtuką. Puiku, kad ši technologija yra visuomenėje.

Schoeniger neturi iliuzijų, kad CRISPR priešnuodis pašalins grėsmes. Tiesą sakant, saugumo problema auga, nes laboratorijos tobulina įrankį ir sugalvoja susijusių priemonių, kurių kiekviena turi skirtingą poveikį biologiniams gynėjams. Mokslininkai gali jaustis suglumę dėl milžiniško greičio, kuriuo spartėja genų redagavimas ir plačiau sintetinė biologija, ir kaip informacija plinta internete.

Mes žiūrime į bendrą technologijos rizikos frontą, kaip ji nuolat vystosi ir kaip sunku ją išlaikyti, ir kaip greitai žmonės išmeta scenarijus, ir sunku racionaliai spręsti šią riziką, sako Schoeniger. . Tuo tarpu, pasak jo, mokytis blokuoti CRISPR klasikine, paprasčiausia forma atrodo gera vieta pradėti. Atrodo akivaizdu, kad norėtume moduliuoti technologiją, todėl darykime tai bandydami išsiaiškinti prioritetus, sako Schoeniger. Tam tikru mastu tai netvarka; naujos technologijos sprogsta taip greitai.

paslėpti