В рамках проекта «Где рождается наукоемкий бизнес?» эксперты ПостНауки рассказывают о перспективных исследовательских задачах, решение которых не только произведет научный и технологический прорыв, но и будет иметь заметный экономический эффект. Доктор физико-математических наук Максим Франк-Каменецкий рассказывает о революции в генной инженерии, генной терапии и медицинских задачах редактирования генома.

Редактирование генома, базирующееся на системе CRISPR/Cas9, — это совершенно новая технология, возникшая только в прошлом году. Первая публикация о ней появилась в начале 2013 года, и за это время увидели свет уже сотни статей с примерами использования этой методики. Параллельно развиваются два других подхода редактирования генома: ZFNs (Zinc-finger nucleases) и TALENs (Transcription activator-like effector nucleases). Однако они гораздо более трудоемкие, менее изящные и более дорогостоящие.

В течение последних 25 лет ученые постепенно открыли и исследовали совершенно новый механизм иммунитета у бактерий, который получил название CRISPR. Первая работа, которая привела в конечном счете к этому выдающемуся открытию, была опубликована в 1987 году. Однако эта статья в тот момент осталась совершенно незамеченной. Значительным прорывом открытие CRISPR стало, когда один из вариантов этой системы адаптировали к клеткам высших организмов.

Рекомендуем по этой теме:

Механизм использования системы CRISPR/Cas заключается в том, что ДНК разрезается и в нее вводится двунитевой разрыв. Причем молекула ДНК разрезается в совершенно определенном месте, которое программируется той маленькой молекулой РНК, которая вводится в клетку. Сегодня примеры использования этого метода существуют практически для всех типов организмов, и важно, что, в отличие от традиционной генной инженерии, методы которой используются уже несколько десятков лет и которая возникла после открытия ферментов-рестриктаз, способных, узнавая определенные последовательности в ДНК, делать в ней двунитевой разрыв, CRISPR/Cas9 позволяет проделывать эти генно-инженерные манипуляции в живой клетке.

В традиционной генной инженерии разрезание и сшивание ДНК проводятся отдельно в пробирке, in vitro, и уже после этого ДНК вводится в клетку. Это привело в свое время к революции, положившей начало биотехнологии.

Особенность нового прорыва состоит в том, что те же самые манипуляции осуществляются в живой клетке, в которой происходит разрезание молекулы ДНК и встраивание участка, который введен извне в эту клетку. Генетический материал живой клетки оказывается изменен без манипуляций на выделенной ДНК.

Это открывает совершенно новые перспективы и позволяет говорить о реальной генной терапии, которая становится уже не футурологическим домыслом, а действительностью. Одновременно с применением CRISPR к манипуляции с геномом методы ZFNs и TALENs, которые до этого момента главным образом разрабатывались в биотехнологической индустрии, были также доведены до конкретных применений. Сейчас разработан целый арсенал методов, с помощью которых у животных (у мышей и даже обезьян) уже проводится генетическая терапия болезней.

Что представляет собой генетическая терапия? Например, у вас имеется плохой ген, и вы хотите его заменить на хороший. Вы вводите этот хороший ген в виде ДНК в клетку, и в эту же клетку вводится CRISPR-система, которая производит разрезание ДНК, и короткая молекула РНК, которая направляет этот разрезающий механизм, эти «ножницы» в нужное место в геноме. Эти «ножницы» вырезают плохой ген, и на его место встраивается хороший. Такая генная терапия уже проводится на живых животных, и они выздоравливают.

Следующий этап — довести эти методы до применения в медицине. Сроки выполнения этих задач зависят от очень многих обстоятельств. Но, судя по тому, какой взят старт, примеры каких-то конкретных применений на людях появятся в течение нескольких лет или даже месяцев. В первую очередь эти методы будут применять для лечения летальных болезней, от которых человек должен умереть очень скоро. В ближайшей перспективе генетическая терапия будет зависеть от тяжести заболевания. Это не может быть таким же распространенным явлением, как пластическая хирургия. Мы вмешиваемся в работу клетки, и здесь всегда будут побочные эффекты. Клетка может превратиться в раковую.

Система CRISPR/Cas применяется не только для лечения генетических болезней. Это дает совершенно новый импульс в синтетической и системной биологии, в той области, где люди модифицируют геном, чтобы заставить клетку делать что-то новое, чего она до этого делать не умела.

Другое медицинское применение CRISPR — создание животных моделей для медицинских целей. Это создание моделей животных, которые наделяются свойствами, похожими на свойства больных людей. С помощью животных моделей можно изучать болезнь и разрабатывать способы ее лечения. С животными работать гораздо проще, чем с людьми: снимается большое количество запретов. Приготовление таких животных моделей с модифицированным геномом до того, как были разработаны методы с использованием CRISPR, было очень трудоемким, дорогостоящим делом, требовавшим участия специалистов высшей квалификации. Сейчас этот процесс стал значительно проще, что имеет огромное значение для современной медицины.