С момента своего появления четыре десятилетия назад, генная инженерия стала источником больших надежд в здравоохранении, сельском хозяйстве и промышленности. Но это также вызвало глубокое беспокойство, не в последнюю очередь из-за трудоемкости процесса редактирования генома. Теперь новая методика, CRISPR-Cas, предлагает как точность, так и способность изменять текст генома в нескольких местах одновременно. Но это не устранило причины для беспокойства.
Геном можно рассматривать как своего рода музыкальную партитуру. Точно так же, как ноты говорят музыкантам в оркестре, когда и как играть, геном говорит составным частям клетки (как правило, белкам), что они должны делать. Партитура, также может включать заметки композитора, которые указывают возможные изменения, излишества, которые могут быть добавлены или исключены, в зависимости от обстоятельств. Для генома такие «заметки» возникают из жизни клеток на протяжении многих поколений в постоянно меняющейся среде.
Генетическая программа ДНК сродни хрупкой книге: порядок ее страниц может меняться, а некоторые даже перемещаются в программу других клеток. Если страница, скажем, ламинирована, она менее подвержена повреждению, во время ее перелистывания. Аналогичным образом элементы генетической программы, защищенные прочным покрытием, способны лучше проникать в различные клетки, а затем воспроизводиться по мере деления клетки.
Впоследствии этот элемент становится быстро распространяющимся вирусом. Следующим шагом является клетка, которая воспроизводит вирус — бесполезный или вредный — чтобы разработать способ ему противостоять. И фактически именно так, в качестве защиты бактерий от вторгшихся вирусов, впервые возник процесс CRISPR-Cas.
Этот процесс позволяет приобретенным свойствам стать наследуемыми. В ходе первой инфекции, небольшой фрагмент вирусного генома — своего рода подпись — копируется в геномный остров CRISPR (дополнительный фрагмент генома, вне текста родительского генома). В результате память инфекции сохраняется на протяжении поколений. Когда потомок клетки инфицирован вирусом, последовательность будет сравниваться с вирусным геномом. Если подобный вирус заразил родителя клетки, потомок его узнает, а специальные механизмы его уничтожат.
У ученых этот сложный процесс расшифровки занял много десятилетий, не в последнюю очередь потому, что он противоречил стандартным теориям эволюции. Но на сегодняшний день ученые выяснили, как реплицировать процесс, позволяя людям редактировать с предельной точностью конкретные геномы, — это практически Святой Грааль генной инженерии за почти 50 лет.
Это означает, что ученые могут применять механизм CRISPR-Cas для устранения проблем в геноме — эквивалента опечаток в письменном тексте. Например, в случае рака мы хотели бы уничтожить те гены, которые позволяют размножаться опухолевым клеткам. Мы также заинтересованы в введении генов в клетки, которые никогда не получали их естественной генетической передачей.
В этих целях нет ничего нового. Но с CRISPR-Cas мы гораздо лучше подготовлены к их достижению. Предыдущие методы оставляли следы в модифицированных геномах, способствуя, например, устойчивости к антибиотикам. Мутация, полученная CRISPR-Cas, напротив, не отличается от мутации, которая возникла спонтанно. Именно поэтому, Управление США по контролю за продуктами и лекарствами постановило, что такие составляющие не должны быть помечены как генетически модифицированные организмы.
Если требовалось модифицировать несколько генов, предыдущие методы были особенно сложными, поскольку процесс должен происходить последовательно. Благодаря CRISPR-Cas способность выполнять модификации генома одновременно позволила создать грибы и яблоки, которые не окисляются или не становятся коричневыми, вступая в контакт с воздухом, — это результат, требующий одновременного деактивирования нескольких генов. Такие яблоки уже появились на рынке и не считаются генетически модифицированными организмами.
Другие приложения находятся в разработке. Так называемая процедура генерации генов для манипулирования геномом может уменьшить вред, причиняемый насекомыми, несущими болезни. Целенаправленная модификация гамет у комаров — самых смертоносных для людей в мире — сделало бы их неспособными к передаче вируса или паразита.
Но к применению CRISPR-Cas необходимо подходить с осторожностью. Несмотря на то, что эта технология может оказаться благом в борьбе со многими смертельными заболеваниями, она также предполагает серьезные и потенциально совершенно непредсказуемые риски. Во-первых, поскольку геномы размножаются и распространяются воспроизведением, модификация всей популяции потребует модификации только ограниченного числа особей, особенно если жизненный цикл организма короток.
Более того, учитывая вездесущность гибридизации среди соседних видов, возможно, что модификация одного вида москитов также будет постепенно и бесконтрольно распространяться на другие виды. Анализ геномов животных показывает, что такие события имели место в прошлом, причем виды были захвачены генетическими элементами, которые могли бы повлиять на балансы экосистем и эволюцию видов (хотя невозможно сказать, как). И если изменение популяции комаров является опасным, неизвестно, что может произойти, если мы модифицируем клетки человека — в частности, зародышевые клетки — без тщательного анализа.
Технология CRISPR-Cas готова изменить мир. Сегодня главная задача состоит в том, чтобы обеспечить положительный результат этих изменений.
