Šios revoliucijos lopšyje atsidūręs vilnietis biochemikas Virginijus Šikšnys (60 m.) – vienas realiausių Lietuvos mokslininkų, kuriam gali atitekti Nobelio premija.
Girdėdamas tokias kalbas Vilniaus universiteto profesorius V.Šikšnys tik šypsosi, nes ląstelių pasaulyje, į kurį jis gilinasi, sunku prognozuoti atradimus. Nors perversmas moksle vadinamas revoliucija, bet jis neturi nieko bendro su kruvinais politiniais perversmais.
Revoliucija, prie kurios lietuvis prisidėjo, turi paslaptingą vardą, tai CRISPR CAS9.
Vilniaus universiteto Jungtiniame gyvybės mokslų centre neseniai vyko diskusija, kurioje šios revoliucijos pavadinimas buvo minimas ne vieną kartą.
Nacionalinės krūties ligų asociacijos organizuotoje konferencijoje profesorius V.Šikšnys kartu su kitais mokslininkais diskutavo apie tai, ar paveldėtus netikusius genus galėsime koreguoti, ar ištaisius genų pažaidas žmonės nebesirgs, kada bus įmanoma naikinti genetinių ligų ir vėžio priežastis.
Pradėjęs paskaitą apie tai, ką reiškia paslaptinga santrauka CRISPR CAS9 ir kaip mokslininkai prisidėjo prie šios revoliucijos, profesorius V.Šikšnys paminėjo, kad tai – technologija, sukėlusi pastarąjį dešimtmetį perversmą biologijos moksle. Į šią technologiją Bilas Gatesas investavo daugiau kaip 100 milijonų JAV dolerių. Vilniaus universiteto Jungtiniame gyvybės mokslų centre taip pat yra įrenginių, kurie padeda perskaityti DNR molekulės kodą įvairiuose gyvuose organizmuose, taip pat ir žmogaus organizme.
Lietuvos mokslininkai taip pat gali atrasti neteisingų raidžių, esančių toje programoje. Jie gali įspėti, kokia genetinė liga gali kelti rimtą pavojų.
CRISPR CAS9 technologija kaip ir daugelis svarbių atradimų moksle gimė atsitiktinai, nes mokslinių atradimų beveik neįmanoma suplanuoti.
Tai rodo, kad ir XX amžiuje vykusios svarbios revoliucijos moksle. Viena jų – skaitmeninė revoliucija, jos pavadinimas kilo dėl to, kad ji susijusi su labai nuobodžia skaičių kombinacija, kurioje kartojasi nulis ir vienetas. Tai – dvejetainis kodas, jis sudaro pagrindą kompiuterinių programų. Tokiu kodu surašytos programos veikia visuose mobiliuosiuose telefonuose.
Jei netikėtai vienetas pasikeičia į nulį, sutrinka kompiuteriai, mobilieji įrenginiai. Gyvų organizmų programą taip pat galima užrašyti, taikant kodą. Šį programinį kodą sudaro keturios raidės A, C, G, T. Šios raidės DNR molekulėje užrašo informaciją apie visų gyvų organizmų likimą.
„Aš šią programą vadinimu mūsų gyvenimo knyga, nes joje – mūsų gyvenimo istorija nuo pat pradžios iki pabaigos. Ši programa – tai milijardai raidžių. Jei kas nors sutrinka DNR molekulėje, pavyzdžiui, iškrenta kelios raidės arba atsiranda papildomų raidžių, sutrinka gyvų ląstelių vystymasis“, – pasakojo V.Šikšnys.
– Kokia kraujo liga yra gerai genetiškai ištyrinėta? – paklausiau mokslininko.
– Yra žinoma, jei DNR programoje raidė A pasikeičia į T hemoglobino gene , tai sukelia drastišką pasikeitimą raudonuosiuose kraujo kūno kūneliuose.
Normalūs raudonieji kraujo kūneliai būna apvalios formos, o dėl raidės A pasikeitimo į T, atsiranda pjautuvo formos raudonųjų kraujo kūnelių eritrocitų – tai esminė priežastis vienos ligos, kuri vadinama pjautuvine anemija.
Šis pavyzdys rodo, kas atsitinka, kai molekulėje pasikeičia viena iš milijardo raidžių. Tokios ligos vadinamos genetinėmis ligomis, nes jos susijusios su raidės pasikeitimu gene, kuris koduoja tam tikrą baltymą.
Vilniaus universiteto Jungtiniame gyvybės mokslų centre yra įrenginių, kurie padeda perskaityti DNR molekulės kodą įvairiuose gyvuose organizmuose, taip pat ir žmogaus organizme.
Mokslininkai gali perskaityti visą programą ir gali atrasti neteisingų raidžių, esančių toje programoje. Jie gali įspėti, kokia genetinė liga gali kelti rimtą pavojų.
Kitas dalykas – kaip išgydyti genetinę ligą, nes tai dar mįslė. Jei DNR kode yra pasikeitusi tik viena raidė, galbūt įmanoma tą klaidą ištaisyti ir pakeisti neteisingą raidę. Tokiu atveju įmanoma pašalinti ligos priežastį.
Galime žiūrėti į DNR molekulę kaip į tekstą, mes juk žinome, kad tekstui redaguoti naudojami tam tikri įrankiai, pavyzdžiui, iškerpame ir įklijuojame kitą raidę, nėra sunku redaguoti tekstą kompiuteriu.
Įsivaizduokite, kad turite DNR molekulę, kur milijardai raidžių. Kyla klausimas, koks įrankis galėtų padėti ištaisyti aptiktą klaidą. Kol nebuvo tokių įrankių, sergantieji genetinėmis ligomis jausdavosi pasmerkti.
– Kodėl susidomėjote bakterijomis, rauginančiomis jogurtą?
– Iš tikrųjų mes niekada specialiai neieškojome DNR taisymo įrankių. Mes tyrėme bakterijas, kurių žmonės daugiausiai suvalgo per savo gyvenimą.
Kai atsidarote ryte indelį, ant kurio etiketės užrašyta, kad tai jogurtas su gyvosiomis bakterijomis, jūs nepagalvojate, kad jame gali būti milijardai bakterijų streptococcus thermophilus. Mes jas valgome ne todėl, kad jos būtų skanios, bet jos naudojamos rauginti jogurtą.
Jogurtų ir kitų pieno produktų gamyba pasaulyje – tai milžiniška pramonė, siekianti milijardus JAV dolerių.
Bakterijos turi rimtą priešą, kuris kelia grėsmę šiai pramonei. Įsivaizduokite, jei mes naudojame bakterijas rauginti jogurtą, bet staiga šias bakterijas užpuolė virusas, vadinasi, bakterijos bus nužudytos, todėl nepavyks surauginti jogurto – ir visą pieną teks išpilti.
Bakterijos susidūrimas su virusu – tai gyvybės ir mirties klausimas, tai hamletiškasis klausimas „Būti ar nebūti“.
Nors virusai kelia mirtiną grėsmę bakterijoms, jos sugeba išgyventi. Tai pavyksta dėl apsauginių barjerų, išsivysčiusių per milijonus metų. Vos virusas patenka į pieno raugo bakteriją, ji sugeba juo atsikratyti.
– Papasakokite istoriją, kaip į Vilnių atkeliavo paslaptingas siuntinys – mėgintuvėliai su bakterijomis.
– Daugelį metų su kolegomis tyrinėjome bakterijų apsaugos sistemas ir aiškinomės, kaip jos veikia. 2007 metais viename garsiausių pasaulyje mokslo žurnalų „Science“ pasirodė straipsnis, jame buvo aprašyta nauja bakterijų apsaugos sistema, pavadinta CRISPR.
Perskaičiau straipsnį, jis mane labai sudomino. Tą patį vakarą parašiau elektroninį laišką vienam straipsnio autorių į Prancūziją. Visi autoriai buvo iš vienos bendrovės, kuri gamina raugo bakterijas pieno pramonei.
Laiške paklausiau, ar straipsnio autorius galėtų man atsiųsti bakterijų, kurios aprašytos žurnale, nes kartu su kolegomis norėčiau jas patyrinėti.
Kurį laiką autorius man neatsakė, tada parašiau dar vieną laišką, ir jis sutiko, po savaitės į Vilnių atkeliavo siuntinys iš užsienio – ant ledo padėti keli mėgintuvėliai. Pasiėmiau tuos mėgintuvėlius ir staiga supratau, kad nežinau, ką daryti su tomis bakterijomis, juk aš nemoku gaminti jogurto, nežinau, kaip su jomis elgtis.
- Kokią tada radote išeitį?
– Svarsčiau, kad CRISPR sistema gali sudominti kitus žmones, tik man reikia juos rasti. Labiausiai linkę avantiūroms laboratorijoje būna nauji doktorantai, ieškantys iššūkių. Kartais jie ne visada supranta, kas jų laukia.
Tuo metu į laboratoriją atėjo du doktorantai, tai buvo Tomas Šinkūnas ir Giedrius Gasiūnas. Papasakojau jiems apie CRISPR sistemą ir paklausiau, ar sutiktų ją patyrinėti. Nežinau, dėl kokių priežasčių, galbūt bijodami atsakyti „ne“, jie linktelėjo: „Mes norėtume“.
Dabar tai prisiminęs suprantu, kad tai buvo rizikingas projektas. Juk jauni žmonės sutiko ketverius metus dirbti su bakterijų apsaugos sistema, kurios niekas dar gerai nebuvo ištyręs. Jei mokslinis darbas būtų žlugęs, jie būtų likę be mokslo daktaro vardo. Laimei, viskas baigėsi gerai.
– Koks likimas vėliau ištiko užsienietiškas bakterijas?
– Nutarėme apsaugos sistemą iš pieno raugo bakterijų perkelti į kitas bakterijas, pavyzdžiui, šiltakraujų organizmų žarnyne gyvenančias escherichia coli bakterijas. Tai panašu į transplantaciją, kai persodinamas donoro organas ligoniui.
Mes paėmėme apsauginę CRIS sistemą iš pieno raugo bakterijų ir persodinome į e.coli bakterijas, su kuriomis mokėjome elgtis.
Nutarėme įsitikinti, ar šis sistema veikia naujose ląstelėse, ar gali apsaugoti e.coli ląsteles nuo virusų.
Didžiam mūsų nustebimui, paaiškėjo, kad virusui užpuolus ji veikia. Tada mes nutarėme išsiaiškinti, kokios yra svarbiausios tos sistemos dalys.
Atradome, kad svarbiausia dalis – tai baltymas CAS9, prie kurio buvo prisirišusios dvi mažos RNR molekulės. Tada Giedrius Gasiūnas nutarė patyrinėti, kaip CAS9 baltymas gali nužudyti virusą, naudodamas mažas RNR molekules. Tai buvo jo disertacijos tema.
- Kokia yra molekulinių žirklių esmė?
– Kad galėtų surasti tam tikrą taikinį viruso DNR molekulėje, CAS9 baltymas naudoja vieną RNR molekulę kaip adresą.
Kai virusas užpuola ląstelę, jis įleidžia į ją savo DNR molekulę tam, kad galėtų galėtų daugintis ir gaminti naujų viruso dalelių. Toje viruso molekulėje CAS9 baltymas, naudodamas RNR molekulę, gali surasti tam tikrą seką ir prie jos prisirišti.
Jei mažą RNR molekulę pakeisime į kitą RNR molekulę, galėsime CAS9 baltymą nunešti į kitą DNR molekulės vietą. Tokiu būdu CAS9 baltymas veikia kaip molekulinės žirklės, kurios leidžia karpyti DNR ten, kur nuveda maža RNR molekulė.
Kai supratome, kaip naudodamos šią sistemą bakterijos apsisaugo nuo virusų, kilo mintis, kad tai – puikus įrankis taisyti DNR klaidas genomuose.
Mes galime pradėti keisti gyvybės kodą ir taisyti tas klaidas, kurios sukelia genetines ligas. Mokslininkams pavyko ląstelių kultūroje ištaisyti klaidą ir eritrocitai įgijo normalią formą.
- Kokių planų mokslininkai turi dėl žmogaus imunodeficito viruso (ŽIV)?
– ŽIV infekcija vadinama rykšte, nes nuo jos miršta milijonai žmonių visame pasaulyje. Kad užkrėstų imunines ląsteles, virusas turi jų paviršiuje rasti tam tikras vietas – receptorius, ir prie jų prisijungti, tik tada jis gali patekti į žmogaus organizmo imuninės ląstelės vidų.
Yra nustatyta, kad vienas procentas populiacijos yra atsparus ŽIV infekcijai. Tai asmenys, kurie susidūrę su ŽIV lieka sveiki, nes neturi vieno baltymo imuninės ląstelės paviršiuje. Tas receptorius išnyko evoliucijoje dėl įvairių mutacijų.
Supratę priežastis, dėl kurios dalis žmonių atsparūs ŽIV, mokslininkai žengė dar vieną žingsnį – DNR molekulėje surado geną, kuris koduoja receptoriaus baltymą ir pašalino tą geną.
Tokiu būdu pavyko gauti ląstelių populiaciją, kuri atspari ŽIV infekcijai. Perkėlus šią ląstelių populiaciją į žmogaus organizmą, jis taip pat gali tapti atsparus.
Tai rodo, kad nauja technologija įmanoma gydyti ne tik genetines ligas, bet ir padėti jų išvengti, nes įmanoma atlikti tam tikrus pokyčius pačiame genome.
– Kaip kiaulės gali tapti donoro organų šaltiniu?
– Ši technologija paverstų dar vienoje srityje. Pavyzdžiui, sunkiomis ligomis sergančius pacientus įmanoma gydyti, persodinant donorų organus.
Tačiau visame pasaulyje trūksta tinkamų donorų. Donoro organų šaltiniu galėtų būti kiaulė, kurios organizmas panašus į žmogaus. Bėda ta, kad kiaulės ląstelėse yra antigenų, kurie iššaukia žmogaus imunines sistemos audringą reakciją.
Tokios reakcijos nebeliktų, jei naudodami naują technologiją, sugebėsime panaikinti kiaulės genome tam tikrus antigenus. JAV mokslininkai jau eina šiuo keliu, jie pakeitė maždaug 60 kiaulės genų, taikydami naują technologiją.
Šie darbai gali atverti naują erą transplantacijos medicinoje. Ląstelių kultūros tyrimai rodo, kad kiaulės organai galėtų būti biologiškai tinkami žmogui. Tokia teorinė galimybė jau yra, nors dar laukia ilgas kelias, kol tai bus įdiegta klinikinėje praktikoje.
– Kokie dar gali būti nauji taikiniai medicinoje?
– Šiuo metu didžiausios galimybės naujai technologijai atsveria, jei pažeidimai yra viename gene. Tačiau yra daug ligų, kur pokyčiai įvyksta ne viename, o daugelyje genų. Tokiu atveju kur kas sunkiau ištaisyti klaidas.
Yra ligų, kurios susijusios su pokyčiais kepenų ląstelėse.
Įmanoma laboratorijoje kultivuoti kepenų ląsteles, ištaisyti klaidą kepenų ląstelėse ir jas vėl persodinti žmogui. Kadangi kepenys turi savybę atsinaujinti, yra didelė galimybė, kad persodinus naujas ląsteles pavyks atkurti bent dalį kepenų funkcijos, kuri buvo prarasta dėl genų pažaidos.
Bet yra etinių klausimų, į kuriuos mokslininkai negali atsakyti, nepasitarę su visuomene.
Šiemet gegužę dalyvavau Paryžiuje vykusioje konferencijoje, kuri buvo skirta genomo redagavimo klausimams.
Ją organizavo Europos mokslų akademijų asociacija, o pagrindinis klausimas buvo apie tai, ar galime atlikti manipuliacijas su embrionais. Daugelis konferencijos dalyvių išreiškė nuomonę, kad mokslininkai niekada neatliks manipuliacijų su embrionais.
Tačiau toje pačioje konferencijoje dalyvavo vienas žmogus, jis buvo atstovas asociacijos, kuri jungia sergančiuosius įvairiomis genetinėmis ligomis.
Jis prieštaravo mokslininkų nuomonei, teigdamas, kad likimo nuskriausti asmenys taip pat yra žmonės. Vien Europoje genetinėmis ligomis serga apie 7 procentus gyventojų. Į šių žmonių nuomonę mokslininkai taip pat turi atsižvelgti.
Mokslininkai taip pat ieško įvairių galimybių, kaip taikyti naują technologiją ne tik medicinoje, bet ir žemės ūkyje, taip pat sintetinėje biologijoje.
Kai atsiranda nauja technologija, jos galimybės atrodo neribotos, yra tik mūsų fantazija, kuri mus riboja.
