Повелителките на кода

Възможността за редактиране на ДНК е сред най-важните открития
в биологията

Тази година Нобелова награда по химия получават Еманюел Шарпантие – французойка, която днес работи в Берлин, и Дженифър Даудна – американка, от Калифорнийския университет в Бъркли. Те откриват начин, който позволява генетичният код да бъде променен, да се „редактира“. За да разберем това постижение, трябва да си спомним, че всяка клетка има свой генетичен материал – ДНК. ДНК е дълга и много тънка нишка, подобна на броеница с четири вида зърна или „букви“, следващи една след друга, образуващи определена последователност. Тази последователност е кодът на живота, който управлява синтеза на хиляди белтъчни молекули, изпълняващи всички възможни дейности в нашето тяло.

Генетични ножици
Последователността на буквите в ДНК на организ-
мите е впечатляващо дълга. По-простите организми имат сравнително къса ДНК с няколко милиона букви, докато ДНК във всяка човешка клетка има шест милиарда букви. Нобеловата награда за 2020 г. се дава за създаването на молекулен инструмент, който специалистите означават като CRISPR/cas9. Популярно го наричат „генетична ножица“, а името описва неговото действие. С генетичната ножица нишката на ДНК може да се среже между две букви на едно-единствено, точно определено място. Когато буквите в генетичния код са милиони и милиарди, това не е проста задача. Но без тази задача да бъде решена, няма редактиране.

Пътят до „ножицата“
Бъдещите Нобелови лауреати Еманюел Шарпантие и Дженифър Даудна се виждат за първи път през 2011 г. на конференция в Сан Хуан – столицата на Пуерто Рико. На този форум Шарпантие ще разкаже за своите нови открития, а срещата с Даудна е уговорена, за да обсъдят възможността за съвместна работа. В този момент никоя от тях не предполага, че тяхната разходка из стария град през свободния ден на конференцията ще доведе до най-революционния метод в генетиката от години – до надежди за победа над рака, вирусните заболявания и маларията, до етични спорове и страхове от „бебета по поръчка“.
Еманюел Шарпантие (Маню, както е известна в своята лаборатория) е родена през 1968 г. в малко градче в околностите на Париж. Става микробиолог, а животът преминава в различни изследователски центрове – първо Института „Пастьор“ в Париж и няколко лаборатории в САЩ, после – Виена и Умео (Северна Швеция). Вече световноизвестна, от 2018-а
тя ръководи собствено звено за изследване на патогенните микроорганизми в Института „Макс Планк“ в Берлин.
Дженифър Даудна, родена през 1964 г., прекарва детството си в Хаваите. Още в училище тя прочита „Двойната спирала“ – увлекателния разказ на Джеймс Уотсън за откриването на структурата на ДНК. Тази книжка я въвежда в сложния и завладяващ свят на научните открития. И оттогава тя знае каква иска да стане. За нея „наука“ вече не са крайните факти, а какво те значат и как се достига до тях. Когато става откритието на „редакцията“, Даудна вече от дълги години работи в Калифорнийския университет в Бъркли.
От „срязване“ до „редакция“
Резултатът от съвместната работа на Шарпантие и Даудна е създаването на рецепта, която, когато се следва, води до срязването на ДНК на определено място. За целта в клетката се „сглобява“ плъзгач от две молекули – едната реже ДНК, а другата – сканира подреждането на буквите на кода. В клетката плъзгачът намира ДНК и започва да сканира нейния код.
В момента, когато плъзгачът намери съответното подреждане на буквите, веригата на ДНК се срязва. Преди откритието на двете дами това е било немислимо. Сега е просто и лесно.
С генетичните ножици изследователите срязват ДНК на място, определено от тях. Срязването прекъсва записа на кода, но кодът трябва да бъде непрекъснат. Ето защо след срязването клетката бърза да „поправи“ повредата. Учените могат да се намесят в поправката и там, където е било скъсването, по желание могат да променят една, две или няколко букви или да сложат нов запис. Последователността от сряз-
ване на ДНК и промяна на кода се нарича „редакция“ на кода. Всяко място в кода може да бъде редактирано.

Защо се прави „редакция“
Методът за редактиране на кода е описан преди осем години. Той веднага навлиза в инструментариума на молекулярните биолози и генетици. А тяхната работа става по-точна, по-лесна и по-евтина. Основна задача пред учените е да разберат функцията на определен участък от кода. С новия метод това става лесно. Първо, този участък се променя и после се проследява какво следва от това. Добре планираната промяна, извършена чрез редактиране, дава незаменими възможности. При толкова значителен технологичен прогрес нищо чудно, че изследователите изоставят старите си планове и чертаят нови, по-амбициозни.
Освен решаването на научни задачи редактирането позволи за първи път успешно да се коригират наследствени заболявания.

Сърповидно-клетъчна анемия
Сърповидно-клетъчната анемия е наследствена болест, която болните получават от своите родители. Болните синтезират дефектна форма на хемоглобина – белтък, необходим на еритроцитите (червените кръвни клетки), за да снабдяват организма с кислород. Сгрешеният хемоглобин променя формата на еритроцитите, като те започват да приличат на сърп, не могат да преминават свободно през най-малките кръвоносни съдове (капилярите) и ги запушват. Резултатът е отсъствие на кислород в определени участъци на тялото, болки, промени в органите, преждевременна смърт.
Преди почти седемдесет години Върнън Инграм (1924 – 2006), емигрант от фашистка Германия, доказва, че разликата между нормалния и „болния“ хемоглобин е само в една от аминокиселините на белтъка. Минимална разлика, която обаче води до различни свойства на хемоглобина и до сърповидно-клетъчна анемия. Тази болест е първата, чиято причина се разбира на ниво молекули. А Инграм става баща на „молекулярната медицина“.
Днес се знае, че тази промяна се дължи на една буква в кода на хемоглобина. В нормалния хемоглобин кодът на определено място се чете „ГАГ“, а при болния – „ГТГ“.
Доста привлекателно е чрез „редакция“ да се преобразува „болният“ код в нормален. Учените са взели клетки от костния мозък, където се образуват еритроцитите, и са редактирали кода на хемоглобина. След проверка клетките се връщат в костния мозък, там те се умножават и продължават да се превръщат в еритроцити с нормален хемоглобин – болест няма. Затова без съмнение, „редактирането“ на кода е забележителен успех на науката и едно от най-важните открития в биологията за всички времена.
(Следва)