Еммануель Шарпентьє (ліворуч) та Дженніфер Дудна (праворуч) потискають руку одна одній після вручення їм премії «Принцеса Астурії» за науково-технічні досягнення. Іспанія, Ов'єдо, 21 жовтня 2015 року.
Фото:

EPA/J.L. Cereijido

Нобелівську премію з хімії цього року дадуть двом дослідницям — Еммануель Шарпентьє (Німеччина) і Дженніфер Дудні (США) за створення технології редагування генома. Йдеться про ті самі «генетичні ножиці», або CRISPR/Cas9, про які так часто останніми роками пишуть в наукових новинах. 

Якщо говорити в найбільш загальних рисах, то йдеться про інструмент, або технологію, яка дозволяє буквально вирізати вказану ділянку молекули ДНК, де записана генетична інформація організму, і за потреби замінити її на іншу ділянку. Ця технологія без жодного перебільшення вже робить революцію в біологічних науках і може знайти безліч важливих застосувань в медицині. 

Наприклад, дуже ймовірно, що з її допомогою в майбутньому можна буде замінювати «зламані» гени людини на «справні» й таким чином лікувати генетичні хвороби, які раніше в найкращому випадку лікувалися тільки симптоматично. Наприклад, спадкові захворювання, як-от муковісцидоз, що вражає дихальну систему та органи травлення, та багато інших. 

Але також технологія CRISPR/Cas9 ставить перед людством складні етичні питання. Адже рано чи пізно з її допомогою можуть почати створювати «людей із заданими властивостями», які можуть бути здоровішими, фізично сильнішими за звичайних людей, або просто мати колір очей, який подобається батькам. Перші кроки в цьому напрямку вже зроблені. 

Також варто зазначити, що цьогорічна премія з хімії, як це неодноразово траплялося раніше, стосується медицини та фізіології не менше, ніж власне хімії.

271/5000 Професор Пернілла Віттунг Штафшеде та Горан К. Ханссон, генеральний секретар Академії наук, оголошують переможців Нобелівської премії з хімії 2020 року під час прес-конференції в Королівській шведській академії наук, у Стокгольмі, Швеція, 7 жовтня 2020 року
Фото:

EPA/Henrik Montgomery

Дивна картотека в генах бактерій 

Буде помилкою вважати, що «генетичні ножиці» придумали люди. Точніше, що вони придумали всю технологію від самого початку. Як це дуже часто буває в науці, прийшла вона звідти, де її взагалі не шукали. А саме — з дослідження бактерій та їхніх генів. 

Дослідники виявили, що в геномах бактерій є дивні ділянки – послідовності ДНК, які повторюються багато разів. Але між цими повторами розташовані інші, щоразу нові ділянки ДНК. Це так, ніби в тексті якесь одне слово написане багато разів, але між цими однаковими словами вставлені інші — щоразу різні слова. Цікаво, що ці «різні слова», тобто, різні ділянки ДНК відповідають геномам вірусів. Виникає запитання: що роблять такі «вірусні» ділянки в геномі бактерій — зовсім інших організмів? 

Пізніше з’ясувалося, що це така собі «картотека» — база даних, за якою бактерія розпізнає ворогів — вірусів, що потрапляють до неї всередину без добрих намірів. Після того, як ворог розпізнаний, бактерія його знищує — ніби розрізає його ДНК ножицями. У дуже спрощеному вигляді так працює «імунна система» бактерій. Однакові повторювані ділянки ДНК — це «короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами», або (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR). А Cas9 — це спеціальний білок, який «розрізає» ДНК.

ГМО-люди

Очевидно, що бактерії, які протягом багатьох мільйонів років еволюції розвинули в собі таку систему захисту від ворогів, і гадки не мали, що вона буде не просто цікавою людям, а й виявиться корисною для них. Але саме завдяки їй Дженіфер Дудна та Еммануель Шарпентьє у 2012-му році створили технологію, яка при потрібному налаштуванні ріже будь-яку ДНК саме там, де потрібно досліднику. Вона стала ледве не «чарівною паличкою» для найрізноманітніших біологічних експериментів. 

Одна з найгучніших та скандальних історій, пов’язана із застосуванням «генетичних ножиць», трапилася позаминулого року в Китаї. Тоді в результаті нелегального експерименту (принаймні так про нього публічно говорить влада Китаю) на світ з’явилися дві дівчинки зі зміненими генами. 

Ця робота не була офіційно висвітлена в наукових публікаціях з етичних міркувань. Але неофіційно відомо, що автор експерименту Хе Цзянькуй ще до народження дітей змінив за допомогою тих самих «генетичних ножиць» один з їхніх генів. У цьому гені «записаний» білок CCR5, який слугує «дверима» для вірусу імунодефіциту людини, які пропускають його всередину людської клітини. У деяких людей від природи цей білок трішки змінений і завдяки цьому вони не можуть заразитися на ВІЛ. А Хе Цзянькуй змінив білок у штучний спосіб, щоб буцімто зробити цих цілком здорових дітей стійкими до ВІЛ в майбутньому житті.

Експеримент викликав великий суспільний резонанс через те, що дослідник явно пішов проти етичних норм, які діють сьогодні в медицині та науці. Крім того, достеменно невідомо, якими насправді були результати експерименту, хоча сам дослідник і стверджує, що з дітьми все гаразд.

«Ножиці» всередині нас 

Але «генетичні ножиці» активно використовуються в інших важливих дослідженнях, не пов’язаних з етичними компромісами. Наприклад, цього року в США почалися клінічні випробування препарату на основі «генетичних ножиць» для лікування одного з видів амоврозу Лебера — захворювання, при якому люди сліпі від народження чи з раннього дитинства. Цей конкретний різновид пов'язаний із «поломкою» в гені CEP290, через що світлочутливі клітини не можуть працювати нормально. 

Експериментальне лікування полягає в тому, що пацієнту вводять під сітківку препарат на основі «генетичних ножиць», який має замінити дефектні гени на справні. Це перший випадок в історії, коли CRISPR/Cas9 застосували на людях in vivo, тобто, безпосередньо в організмі людини. 

До цього, його застосовували для експериментального лікування ex vivo («поза живим»). Так, наприклад, намагаються лікувати захворювання крові — бета-таласемію та серповидноклітинну анемію, які також обумовлені «поломками» певних генів. Для цього з організму пацієнтів забирають клітини з «поламаним» геном, виправляють їх за допомогою «генетичних ножиць» і повертають назад до організму. 

Крім того, за допомогою CRISPR/Cas9 редагують гени людських ембріонів на ранніх стадіях розвитку суто для потреб фундаментальної науки. Першими у світі це цілком легально зробили китайські вчені у 2015-му році. У таких випадках розвиток ембріонів завжди зупиняють на ранніх стадіях.

Застосування в Україні 

Українські вчені також проводять дослідження із використанням «генетичних ножиць», які в майбутньому можуть призвести до важливих практичних результатів. Наприклад, в Інституті молекулярної біології та генетики НАНУ докторка біологічних наук Оксана Півень разом із колегами зараз працює над тим, щоб «змусити» клітини сполучної тканини перетворитися на клітини серцевого м’яза. Якщо одного дня це вдасться зробити не просто «в пробірці» на культурі клітин, але й в організмі людини, то це може дозволити лікувати наслідки інфаркту міокарда. Адже часто він призводить до утворення «шраму» на серці, який складається саме зі сполучної тканини, яка заважає серцю працювати повноцінно. Якщо замістити «шрам» тканиною серцевого м’яза, то серце має працювати краще. 

Щоб зробити це, потрібно перепрограмувати клітини — увімкнути кілька особливих генів, які змусять клітину сполучної тканини працювати так, як працює клітина серцевого м’яза. Для цього дослідники використовують видозмінений варіант «генетичних ножиць», який знаходить потрібне місце на молекулі ДНК, але не ріже його, а «вмикає». 

Японський хімік Акіра Йосіно демонструє модель розробленої ним літій-іонної батареї на прес-конференції в Токіо, Японія, 9 жовтня 2019 року після здобуття Нобелівської премії з хімії
Фото:

EPA/KIMIMASA MAYAMA

Хто раніше отримував Нобелівську премію з хімії 

У 2019-му році цю престижну нагороду дали «за розвиток літій-іонних акумуляторів» трьом дослідникам: Джону Гудінафу (США), Стенлі Віттінгему (Велика Британія) та Йосіно Акірі (Японія). Літій-іонні акумулятори з’явилися на ринку на початку 1990-их років і без перебільшення зробили революцію в повсякденному житті та стали невіддільною його частиною. Сьогодні мільярди людей у світі користуються мобільними телефонами, лептопами та іншими пристроями, які живляться від таких акумуляторів. Їх же використовують і в електромобілях. Оскільки їх можна перезаряджати електроенергією, виробленою завдяки Сонцю, вітру та іншим відновлюваним джерелам, то це означає, що літій-іонні акумулятори заклали основу економіки, вільної від викопних джерел енергії. 

Цього року Нобелівську премію з хімії вручають 112-ий раз і, якщо рахувати цьогорічних лауреатів, всього її отримали 185 людей. 

Наймолодшим за всю історію лауреатом Нобелівської премії з хімії став Фредерік Жоліо-Кюрі. В 1935 році йому було 35 років, коли цю нагороду він поділив із дружиною Ірен Жоліо-Кюрі «за виконаний синтез нових радіоактивних елементів». Ірен Жоліо-Кюрі була донькою лауреата Нобелівської премії з фізики П'єра Кюрі (1903) та двічі лауреатки цієї престижної нагороди Марії Кюрі (1903 — з фізики та 1911 — з хімії). 

Найстаршим дослідником, який удостоївся цієї нагороди, був один із минулорічних лауреатів Джон Гудінаф (тоді йому було 97 років). 

До цього року Нобелівську премію з хімії отримали п’ять жінок. Крім вже згаданих Марії Кюрі та Ірен Жоліо-Кюрі в 1964 році її дали британській дослідниці Дороті Кроуфут Ходжкін, у 2009-му році Аді Йонат з Ізраїлю, а у 2018-му — американці Френсіс Арнольд. Тепер до них додалися Еммануель Шарпентьє і Дженніфер Дудна.

Поділитись: