De senaste vetenskapens framsteg har öppnat tillträdet till heliga för heliga för människan - till "livskoden" eller DNA, vilket ger nästan obegränsade möjligheter att omstrukturera alla levande organismer. Är vi redo att ta emot en sådan gåva från forskare?
Genom att titta snabbt på Anthony James kontor är det lätt att gissa vad han gör - alla väggar är täckta med bilder av myggor och hyllorna är fodrade med böcker om dessa insekter.
Ovanför skrivbordet finns en affisch som tydligt visar alla stadier i utvecklingen av Aedes aegypti-mygga: kläckning av larven från ägget, dess efterföljande valp och omvandling till en vuxen. Bildens skala kommer att göra till och med oöverträffade fans av spänningar om blodtörstiga jätteinsekter grällande. På registreringsskylten på Anthony's bil är också stolt stämplad med en obegriplig kombination av bokstäver - AEDES.
"I tre decennier har jag bokstavligen varit besatt av myggor," säger Anthony James, en molekylärgenetiker vid University of California, Irvine. Det finns cirka 3,5 tusen arter av verkliga myggor i naturen, men Anthony är bara intresserad av de mest dödliga av dem. Ett av de slående exemplen är myggan Anopheles gambiae, en bärare av en sjukdom som dödar hundratusentals människor varje år.
Biogeografer tror att dessa myggor kom till Amerika från Afrika på slavarnas handelsfartyg på 1600-talet och tog med sig gul feber, som dödade miljoner människor i den nya världen vid den tiden. Idag har dessa insekter också blivit bärare av denguefeber, som infekterar cirka 400 miljoner människor varje år, chikungunya, West Nile och Zika-virus. (Det senare rasade 2015 i Brasilien och Puerto Rico, vilket ledde till utbrott av ett antal sjukdomar i nervsystemet, inklusive en ganska sällsynt sjukdom - mikrocefali: barn föds med ett oproportionerligt litet huvud och en underutvecklad hjärna.)
Med hjälp av CRISPR-teknik redigerade Anthony individets genom till höger så att den vuxna myggan inte längre kunde sprida parasiterna. Fluorescerande proteinmarkörer bekräftar att operationen var framgångsrik. Om nu "redigerade" insekter släpps ut i den naturliga miljön, kommer deras ättlingar gradvis att ersätta de vanliga bärarna av infektionen. Men saken har ännu inte nått praktiska åtgärder.
Mygglarver från Anthony James-laboratoriet vid University of California, Irvine, visar hur malaria kan utrotas en gång för alla. Båda tillhör arten Anopheles stephensi, den största distributören av Plasmodium malaria i asiatiska städer.
Det huvudsakliga målet som anges av Anthony's grupp är att hitta nyckeln till mygggenomet och göra det så att de inte kan sprida farliga sjukdomar. Fram tills nyligen var hans team praktiskt taget ensam på teorisk vägens teoribana. Allt förändrades med tillkomsten av en ny revolutionerande teknik - CRISPR / Cas9: Anthony's forskning fann äntligen en praktisk grund.
Kampanjvideo:
CRISPR / Cas9 är två komponenter i bakteriens gensystem som ansvarar för immuniteten hos dessa små varelser. Den första representerar korta palindromiska DNA-upprepningar (på engelska, kluster som regelbundet skiftar korta palindromiska upprepningar, eller förkortade CRISPR) arrangerade i regelbundna grupper, mellan vilka det finns mellanrum (bokstavligen: "separatorer").
Spacers representerar faktiskt delar av virusgener och fungerar som ett slags kortindex för genetiska "fingeravtryck" för dessa huvudfiender av bakterier. Och Cas9 är ett protein som med hjälp av en guide-RNA - en kopia av en eller annan spacer - jämför de virala DNA-fragmenten som redan finns i "kortindexet" med främmande molekyler som fångats i cellen. Och om en matchning hittas, skär den DNA från viruset som försöker invadera cellen, vilket gör det omöjligt för det att multiplicera.
Det visade sig att Cas9 kan anpassas till att arbeta med vilken som helst guide-RNA, vilket innebär att detta protein kan riktas in för att skära vilken DNA-sekvens som är en analog till detta RNA. När ett snitt i en viss del av DNA görs är det enda som återstår att sätta in den nödvändiga genen i gapet (eller så kan du inte sätta in något nytt, bara ta bort den onödiga gamla). Då gör själva cellen (och inte bara den bakteriella!) Allt: för det är eliminering av sådana pauser ett rutinmässigt arbete.
Genom att behärska vapnet av bakterier mot virus, har genetiker lärt sig att snabbt och exakt förändra DNA från alla levande organismer på planeten, och människan är inget undantag. Faktum är att CRISPR-tekniken är en skalpell i händerna på en genetiker, skarpare och säkrare än en kirurgs stålskalpel. Med hjälp av en ny metod för genteknik kan specialister korrigera vissa genetiska plågor - redigera mutationer som leder till muskeldystrofi, cystisk fibros och till och med besegra en av formerna av hepatit. Nyligen har flera grupper av forskare försökt använda en ny metod för att "skära" generna för immunbristviruset (HIV) inbäddade i kromosomerna hos mänskliga celler - lymfocyter. Det är för tidigt att prata om ett nytt mirakelläkemedel mot AIDS, men enligt många experter kommer det att finnas exakt tack vare CRISPR-tekniken.
Ett annat område med aktiv sökning är kampen mot svinvirus, varför det fortfarande är omöjligt att sätta organtransplantationer från djur till människor i ström. De försöker hitta en tillämpning av CRISPR-teknik för att skydda hotade arter. De började genomföra experiment för att ta bort gener från DNA från odlade växter för att avvärja skadedjur från dem. Om detta kan uppnås kommer människan inte längre helt att förlita sig på giftiga bekämpningsmedel.
Inget av de vetenskapliga upptäckterna från förra seklet lovade så många fördelar - inte heller väckte det så många etiska frågor. Kan till exempel könsceller redigeras? När allt innehåller genetiskt material som vidarebefordras till de kommande generationerna - barn, barnbarn och barnbarnsbarn till genetiskt modifierade individer - och så vidare ad infinitum. Det spelar ingen roll vilka avsikter genetik kommer att styras av i det här fallet - huruvida önskan att korrigera en medfödd sjukdom eller önskan att förbättra någon användbar egenskap - men vem kommer att våga förutsäga alla konsekvenser av störningar i själva grunden för livet?
"Om någon plötsligt vågar förvandla bakterieceller, borde han tänka tre gånger," återspeglar Eric Lander, chef för Broad Institute of Cambridge, som ledde det inte så länge sedan sensationella Human Genome-projektet. - Och tills detta vågat bevisar allmänheten att det finns goda skäl för en sådan ingripande i människans natur, och samhället inte accepterar hans bevis, kan det inte vara fråga om någon djup förändring i genomet. Men forskare har ännu inte lyckats hitta svar på många etiska frågor. Och jag vet inte vem och när som kommer att kunna ge dem."
Och förseningen i detta fall liknar döden i ordets verkliga mening. Enligt prognoser från US Centers for Disease Control and Prevention, när den rasande Zika-epidemin i Puerto Rico avtar, kommer således mer än en fjärdedel av öns 3,5 miljoner befolkning att bli bärare av denna sjukdom (baserat på modeller för spridning av andra patogener, som bärs av myggor). Detta innebär att tusentals gravida kvinnor riskerar att föda ett terminalt sjukt eller oundvikligt barn.
En verkligt effektiv lösning på problemet just nu är att översvämma hela ön med insektsmedel som kommer att förstöra insektvektorerna. [Detta var vad Sovjetunionen gjorde i god tid under byggandet av Bratsk vattenkraftverk. - Rysk redaktion (RRP).] Anthony James föreslår emellertid ett annat sätt att utrota sjukdomen en gång för alla. För att göra detta behöver du bara redigera mygggenomet med hjälp av CRISPR-teknik.
Riktad redigering av genomet ger dig möjlighet att kringgå de "oföränderliga" ärftlagarna. I naturen är det så etablerat att föräldrar vid sexuell reproduktion skickar en kopia av gener vardera till sina avkommor. Vissa lyckliga gener har emellertid fått en "gåva" från evolutionen: deras chanser att ärva överstiger 50 procent. Det är sant att ägarna till sådana gener troligen inte är nöjda med en sådan ödesgåva: som regel är det gener som har allvarliga sjukdomar. Nu, åtminstone i teorin, kan forskare använda CRISPR-teknik för att skära defekta gener från en DNA-sträng. Vidare kommer den förändrade genotypen att spridas naturligt (sexuellt) i befolkningen.
En anställd vid Shenzhen International Center for Regenerative Medicine innan han kommer in i ett sterilt rum där hornhinneceller från grisar modifieras för transplantation till människor.
Long Haibin från Guangzhou Institute of Pharmaceutical Research stryker Tiangu-beaglen, en av två hundar uppvuxna från embryon, vars genom har redigerats för att fördubbla sin muskelmassa. Sådana experiment gör det möjligt för forskare att bättre förstå mekanismerna för muskeldystrofi hos människor.
2015 publicerade tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences en artikel av Anthony James, där han beskrev användningen av CRISPR-metoden för att genetiskt modifiera malariamyggen. "Genom att infoga vissa gener kommer myggor inte att kunna sprida de orsakande medlen till den dödliga sjukdomen," förklarar James. "Men samtidigt kommer inget annat i deras liv att förändras."
”Jag arbetade i lugn och ro i decennier, ingen visste om mig. Nu ringer min telefon,”lägger han till och nickar med huvudet vid den bunt med bokstäver som staplas upp på sitt skrivbord. Men Anthony är väl medveten om att lanseringen av en konstgjord skapad mutation, utformad för att spridas snabbt i en population av vilda djur, kan leda till oförutsägbara konsekvenser och, eventuellt, till irreversibla naturförändringar. "Spridningen av insekter med ett genom redigerat i laboratoriet i den naturliga miljön är säkert förknippat med en viss risk", säger forskaren. "Men enligt min mening är passiviteten ännu farligare."
Genetiker för mer än 40 år sedan lärde sig att ta bort vissa nukleotidsekvenser från genomet hos vissa organismer och överföra dem till andra för att förändra naturen hos nya ägare. Molekylärbiologer förutsåg de enorma möjligheter den rekombinanta DNA-metoden lovar för dem - det är namnet på den nya tekniken. Men entusiasmen minskade när de insåg att överföring av DNA mellan olika arter kan leda till en okontrollerad spridning av virus och andra patogener, och senare - till uppkomsten av sjukdomar från vilka det inte finns någon naturlig försvarsmekanism. Detta innebär att det inte finns några färdiga vacciner mot dessa sjukdomar.
Den oförutsägbara framtiden skrämde forskarna själva framför allt. 1975, på Asilomar-konferensen i Kalifornien, diskuterade molekylärbiologer från hela världen riskerna med genteknik och bildade en arbetsgrupp för att utveckla en serie åtgärder för att förbättra säkerheten vid genomexperiment.
Det blev snart klart att en acceptabel säkerhetsnivå var möjlig, och möjligheterna med ny tillämpad vetenskap överträffade de vildaste förväntningarna. Gentekniken började gradvis förändra miljontals människors liv till det bättre. Diabeteslidare fick en stabil källa till insulin: forskare överförde gener som ansvarade för syntesen av insulin i människokroppen till bakterier, och jättekolonier av genetiskt modifierade bakterier förvandlades till riktiga insulinfabriker.
Tack vare den genetiska modifieringen av växter, dyker upp nya högavkastande grödor, resistenta mot herbicider och insekter - en ny omgång av den gröna revolutionen började.
Innan embryonna gick in i livmodern genomfördes en grundlig genetisk diagnos (PGD) för preimplantation - ett test som gör att du bara kan välja friska embryon. Ilan Tur-Kasp, en läkare vid Ohio Institute of Reproductive Genetics and Reproduction, som utförde operationen, uppskattade att PGD skulle bidra till att minska kostnaderna för behandling av cystisk fibros med 2,2 miljarder dollar per år.
Båda föräldrarna till 16 månader gamla Jack är bärare av samma defekta gen, vilket innebär att det finns 25 procent chans att deras barn ärver cystisk fibros. Lyckligtvis är Jack själv inte mottaglig för denna sjukdom, men med tiden kan han också överföra sjukdomen genom arv.
Har blivit utbredd och behandlat med genteknik. Endast livsmedelsindustrin har mött allmän motstånd mot samma vetenskapliga metoder. Många studier som visar att äta mat som härrör från genetiskt modifierade organismer (GMO) inte är farligare än traditionell mat hjälpte inte heller. Hysteriet kring GMO bekräftar att människor är redo att ge upp även de livsmedel som har erkänts som säkra av det vetenskapliga samfundet. [Och detta trots att olyckor relaterade till konsumtion av "friska" ekologiska produkter har registrerats, och ingen har drabbats av användning av genetiskt modifierade livsmedel! Men tack vare dåligt utbildade politiker, vars uttalanden omedelbart tas upp och sprids i media,vanliga människor har motsatt intryck. - KONTAKT]
I början av tillämpningen av metoden för rekombinant DNA hänvisade termerna "transgen" och "genetiskt modifierad" till organismer som skapats genom att kombinera DNA från en modifierad organisme med DNA-fragment tagna från andra arter. Kanske kommer CRISPR-teknik att hjälpa forskare att övertyga lekman: i vissa fall behövs inte bara genteknik - det är nödvändigt. När allt kommer omkring, med denna teknik kan du ändra genomet för en viss art utan deltagande av främmande DNA.
Ett slående exempel på detta är gyllene ris. Den enda skillnaden mellan denna genetiskt modifierade rissorten från den ursprungliga arten är att dess korn, tack vare modifieringen, är rika på vitamin A. Varje år i utvecklingsländer förlorar upp till en halv miljon barn synen på grund av brist på vitamin A, men aktivister som motsätter sig GMO, fortfarande blockerade både vetenskaplig forskning och kommersiell produktion av gyllene ris. Nu har genetik förändrat taktik och börjat arbeta med att förändra egenskaperna hos vanligt ris med hjälp av CRISPR för att uppnå samma resultat genom att redigera växternas gener. Och en grupp forskare under ledning av Kaisia Gao från den kinesiska vetenskapsakademin lyckades, efter att ha tagit bort alla tre kopiorna av en av vete-generna, få fram en växtsort som är resistent mot en farlig svampsjukdom - pulveraktig mögel.
I årtusenden har agronomer siktat igenom - naturligtvis omedvetet - generna för representanter för en eller annan art och korsat olika sorter. CRISPR-tekniken är faktiskt en mer ekonomisk urvalsmetod - mycket exakt och snabb. I vissa länder har skillnaderna mellan GMO-sorter och sorter som erhållits med hjälp av CRISPR-teknik redan officiellt bekräftats av tillsynsmyndigheter, vilket också har gjorts av regeringarna i Tyskland, Sverige och Argentina.
Förutom de kommande förändringarna inom livsmedelsindustrin är det svårt att överskatta potentialen för CRISPR-metoden inom medicinen. Tekniken har redan förenklat forskningen inom onkologi kraftigt - nu är det mycket lättare för forskare att skapa experimentella kloner av cancerceller i laboratoriet och testa olika läkemedel på dem för att identifiera de mest effektiva i kampen mot en tumör som utvecklas.
Läkarna testar snart CRISPR-metoden för att behandla vissa sjukdomar direkt. Till exempel kan stamceller från personer som lider av hemofili redigeras utanför patientens kropp för att korrigera de mutanta generna som orsakar sjukdomen.
De nya friska cellerna måste sedan injiceras tillbaka i patientens blodomlopp.
Fler fantastiska vetenskapliga genombrott väntar oss under de närmaste åren. I USA är till exempel cirka 120 tusen personer registrerade för organtransplantationer, och denna linje växer bara. Tusentals människor dör utan att vänta på räddningsinsatsen. (Och detta är utan att ta hänsyn till de hundratusentals människor som av olika medicinska skäl inte ens kan komma på listan för organtransplantationer!) Under många år har forskare försökt lösa problemet, bland annat genom användning av djurorgan. Svin är bland kandidaterna för donation, men deras DNA innehåller endogena porcine retrovirus (PERV), liknande HIV och potentiellt kan infektera mänskliga celler. Ingen statlig tillsynsmyndighet kommer under några omständigheter att tillåta transplantation av infekterade organ, och tills nyligen har ingen lyckats helt eliminera retrovirus från grisceller.[Grisorgan används som potentiella transplantationer eftersom de är jämförbara i storlek med människor och är lättare att odla än schimpanser och gorillaer (för att inte nämna etiska problem), och inte för att de är genetiskt närmare människor än apor. - CONT'D.] Det hoppas att redigering av svingenomet med CRISPR gör det möjligt för genetiker att tillhandahålla transplantationer för människor.
En grupp under ledning av George Church, professor vid Harvard Medical School och Massachusetts Institute of Technology, har redan lyckats klippa ut alla 62 gener av PERV-virus från DNA från en njurcellsgris - en komplex operation med en samtidig redigering av flera genomregioner som utförts för första gången. När de modifierade cellerna blandades med humana celler i laboratoriet, infekterades ingen av de mänskliga cellerna. Samma specialister kunde framgångsrikt redigera andra typer av svinceller och ta bort 20 gener från dem som orsakar avvisning av främmande vävnader av det mänskliga immunsystemet. Detta är en annan viktig komponent i framgångsrik djurorgantransplantation till människor.
George är nu engagerad i att klona modifierade celler för att odla fullfjädrade svinembryon från dem. Om ett år eller två räknar han med att påbörja experiment med primater, och om organet efter testtransplantationer börjar fungera utan avbrott, och avslag inte inträffar, kommer det i nästa steg att vara möjligt att genomföra experiment med deltagande av frivilliga. Enligt kyrkans optimistiska prognoser kommer sådana mänskliga operationer att bli verkliga om ett och ett halvt år, med tanke på att alternativet till risk för många patienter är en oundviklig död.
Under hela sin vetenskapliga karriär har George letat efter ett sätt att hjälpa människor som har vägrats transplantationer av läkare på grund av deras låga framgångsgrad.”Organtransplantationsbeslutet är ett av de svåraste för läkarna,” förklarar han. - Det är nödvändigt att ta hänsyn till många faktorer: förekomsten av infektionssjukdomar, alkoholmissbruk och i allmänhet allt som är "fel" med en potentiell mottagare. Avslaget stöds vanligtvis av orden att transplantationen inte kommer att medföra några betydande fördelar för patienten. Men detta är i grunden fel: naturligtvis ger transplantation en andra chans för alla personer! Du behöver bara tillhandahålla ett tillräckligt antal givarorgan!"
Ett annat otillräckligt fält för CRISPR-teknik är restaurering av populationer av hotade arter. Till exempel sjunker fågelbeståndet på Hawaiianöarna snabbt - det är allt som klandrar för en speciell typ av malariaplasmodium som påverkar fåglar. Fram till början av 1800-talet förde valfartyg myggor till öarna, de lokala fåglarna hade aldrig stött på sjukdomar som bärs av dipteraner och hade inte tid att utveckla immunitet mot dem. Endast 42 endemiska hawaiianska arter har överlevt till denna dag, och tre fjärdedelar av dem är redan hotade. Den amerikanska organisationen för bevarande av fåglar lyckades tilldela Hawaii statusen som "världens huvudstad för utrotningshotade fågelarter." Om fågelmalaria inte stoppas genom att redigera mygggenomet, förlorar öarna troligt alla sina egna arter.
Tarmen från denna mygga från Anthony James laboratorium är fylld med en ko. Sådana insekter kan överföra Zika-virus och denguefeber, men deras genom kan modifieras med hjälp av CRISPR-teknik så att de förändrade individernas avkom är steril.
Jack Newman, tidigare chefsforskare på Amyris, som var banbrytande av syntetiskt artemisinin, det enda effektiva läkemedlet för behandling av malaria hos människor, fokuserar nu på att bekämpa myggburna fågelsjukdomar. Den enda relativt effektiva metoden för att skydda fåglar idag är fullständig eliminering av vektorer, vilket kräver att giftiga ämnen sprutas över ett enormt område. Relativt - för även med denna strategi är framgång inte alls garanterad. "För att en mygga ska dö måste insektsmedlet drabbas direkt", förklarar Newman. Men blodsugare tillbringar större delen av sina liv gömmer sig i trädkronor och gömmer sig i fördjupningar av stenar eller mellan stenar. För att förgifta huvuddelen av myggpopulationen måste alla Hawaiianöar översvämmas med kemikalier. Om vi följer vägen för att förändra genomet och sterilisera myggorna, kan fåglarna räddas utan att förstöra deras livsmiljö. "Genteknik är en otroligt korrekt lösning på flera problem på Hawaii," säger Jack.”Aviär malaria förstör stadigt ekosystemet på öarna, men vi har förmågan att stoppa det. Ska vi bara luta oss tillbaka och se hur naturen dör framför våra ögon?"
Det är sant att inte alla är nöjda med de snabba framstegen. Till exempel, i februari 2016, varnade den amerikanska direktören för nationell underrättelse James Klepper i sitt årliga anförande till senaten att genteknik som CRISPR kan användas för att skapa massförstörelsevapen. Men det vetenskapliga samfundet påpekade omedelbart grundligheten i sådana uttalanden och erkände dem som för radikala. Terrorister har mycket enklare och billigare sätt att attackera civila än att smitta jordbruksfält med en ny sjukdom eller utveckla ett dödligt virus.
Naturligtvis bör man inte helt utesluta den möjliga skadan från användningen av ny genteknik. "Vad kan konsekvenserna av vårdslös hantering av genomet?" - frågar Jennifer Doudna, professor i kemi och molekylärbiologi vid University of California (Berkeley).
2012 applicerade Jennifer tillsammans med sin kollega Emmanuelle Charpentier från Institute for Infectious Biology i Berlin (ett av Max Planck-nätverket av forskningsinstitut) CRISPR-teknik för DNA-redigering och svarar på denna fråga:”Jag tror inte att vi vet tillräckligt om det mänskliga genomet och andra djur genom, men människor kommer fortfarande att använda denna teknik - oavsett hur väl den studeras."
Ju snabbare vetenskapen utvecklas, desto skrämmande verkar de teknologiska hoten som mänskligheten står inför. Biologi blir enklare och mer tillgängligt, och snart kommer alla att kunna experimentera med ett hem CRISPR-kit - som radioamatörer som samlar in alla typer av mottagare och sändare hemma. Så oroen över vad hobbyister kan göra i hemlaboratorier om de tar hand om ett verktyg för att förändra de grundläggande grunden för djur- och växtgenetik är motiverat.
Och ändå bör de fantastiska möjligheterna med genteknik inte missa. När allt kommer omkring, till exempel, mänskligheten för evigt kan bli av med malaria och andra sjukdomar som bärs av blodsugare, kommer detta utan tvekan att bli en av de största framstegen i modern vetenskap. Och även om det fortfarande är för tidigt att prata om användningen av CRISPR-teknik för att redigera mänskliga embryon, finns det andra sätt att omvandla genomet till bakterieceller som kan läka sjukdomar utan att påverka DNA från framtida generationer.
Till exempel saknar barn med Tay-Sachs sjukdom de enzymer som är nödvändiga för nedbrytningen av gangliosider, fettsyror som samlas i nervcellerna i hjärnan, vilket leder till döden av dessa celler och som ett resultat till hämning av mental och fysisk utveckling och sedan till tidigt ett barns död. Sjukdomen är extremt sällsynt och endast i de fall då båda föräldrar överlämnar till sina barn en defekt kopia av samma gen (vilket är typiskt för stängda mänskliga grupper med nära besläktade inbördesavel). Med hjälp av CRISPR-teknik kan du korrigera det genetiska materialet hos en av föräldrarna - till exempel farens spermier - och barnet kommer antagligen inte ärva båda defekta kopior på en gång.
I framtiden kan sådan genterapi rädda liv och minska sannolikheten för sjukdom. En liknande effekt kan redan uppnås - med konstgjord insemination: valet av ett embryo utan en defekt genkopia garanterar att den nyfödda inte ärver sjukdomen till hans avkommor.
"Genöverföringsteknologi och CRISPR ger oss de bredaste möjligheterna som ingen kunde ha drömt om förut", sammanfattar Hank Greeley, chef för Center for Law and Life Sciences vid Stanford Medical School. - Med deras hjälp kan vi göra mycket bra. Men det är viktigt att inse att vi har förvärvat makt av en helt annan ordning, och det är nödvändigt att se till att vi använder den klokt. Hittills är vi inte redo att ta ett sådant ansvar, men inte en dag bör gå förlorad - det finns mycket att göra för att garantera oss ett lugnt liv i framtiden.”