» »

Nobelova nagrada za kemijo 2020

Nobelova nagrada za kemijo 2020

Slo-Tech - Naravoslovni trojček Nobelovih nagrad tradicionalno zaokrožuje kemija, katere prejemnici so v Stockholmu razglasili danes. Nobelovo nagrado za kemijo letos prejmeta francoska biokemičarka Emmanuelle Marie Charpentier in ameriška biokemičarka Jennifer Anne Doudna za razvoj metode za spreminjanje genoma. Gre seveda za metodo genskih škarij CRISPR-Cas9, od katere pričakujemo ogromno in o kateri smo že večkrat pisali. Obetavnost metode je prepoznala Švedska kraljeva akademija znanosti, saj sta prejemnici mladi, metoda pa prav tako (osem let). Charpentier in Doudna sta šele šesta in sedma prejemnica Nobelove nagrade za kemijo v več kot stoletni zgodovini podeljevanja te nagrade.

Zgodba o sistemu CRISP-Cas 9 pa se v resnici začenja povsem nepričakovano. Začenja se z bakterijo Streptococcus in njenim imunskim sistemom, ki sta ga Charpentier in Doudna raziskovali, da bi morda našli nov antibiotik. Že od leta 1953 vemo, da so genske informacije zapisane v DNK, ki se nahaja v (skoraj) vseh celicah živih organizmov v obliki dvoverižne vijačnice. Z zaporedjem štirih črk (A, G, C, T - adenin, gvanin, citozin in timin), ki jih predstavljajo nukleotidi (bazni pari), je moč zapisati vso raznolikost življenja - vključno z napakami. Obstajajo številne bolezni, ki imajo jasen genetski vzrok. Nekje je napačno zapisana kakšna črka, zato se iz DNK ne more ustvariti ustrezen protein, kar ima lahko neopazne ali pa hude posledice, odvisno od mesta napake. Dolga desetletja so znanstveniki sanjali, kako koristno bi bilo imeti možnost popravkov teh napak v DNK.

Leta 1987 so v genomu bakterije Escherichia coli opazili pet palindromnih sekvenc 29 baznih parov, ki so se pojavljali z razmakom 32 baznih parov. To nenavadno zaporedje so leta pozneje odkrili še v arheji Haloferax mediterranei. Kasnejše analize več organizmov so pokazale, da je to zaporedje pogosto v več prokariontih, vsakokrat na konstantni oddaljenosti. Poimenovali so ga CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) in sklepali, da gre za ostanke evolucijsko pomembne funkcije. Naslednje zanimivo spoznanje je bilo, da imajo samo organizmi s temi zaporedji CRISPR določene gene, ki se nahajajo v bližini CRISPR. Poimenovali so jih Cas (CRISPR associated), kodirajo pa za proteine, ki so podobni helikazam in nukleazam. To so encimi, ki sodelujejo pri cepljenju DNK. Počno tudi proteini Cas enako?

Naslednje pomembno odkritje je sledilo leta 2005. Zaporedja CRISPR izvirajo iz prenosnih genetskih elementov, denimo bakteriofagov ali plazmidov. To so skupki DNK, ki lahko prehajajo med organizmi. Prokariontski organizmi, ki so imeli ta zaporedja CRISPR, so bili imuni na napadalce, ki so imeli gensko zaporedje, ki je bilo enako kot zaporedje med ponovljenimi odseki CRISPR. Smisel sistema CRISPR je torej, da vanj bakterija zapiše genski material napadalcev iz preteklosti, s čimer postane odporna nanje. Ta del genoma se prepisuje v RNK (crRNA). Sprva ni bilo jasno, kakšno vlogo imajo proteini Cas. Sedaj vemo, da se crRNA veže na Cas proteine in ustvari kompleks Cascade (CRISPR-associated complex for antiviral defence), ki napade in razreže tuje nukleinske kisline (DNK). Torej - zaporedja CRISPR vsebujejo ponovljena zaporedja, vmes pa ležijo genski ostanki (spacers) preteklih napadalcev, ki se prepišejo v crRNK, da jih Cas proteini naložijo nase (kot nekakšna navodila, kje naj režejo). To so potrdili leta 2007.

Leta 2011 je bilo znano, da je praimunski sistem CIRSPR-Cas v prokariontih močno razširjen. Deluje kot pridobljeni imunski sistem, saj se ob napadih bakteriofagov (virusov, ki okužijo bakterije) in plazmidov (krožne invazivne DNK) aktivira. Če bakterija napad preživi, med svoje CRISPR regije vpiše nove kose DNK (spacers), ustvari crRNA in utiša napadalno DNK. Emmanuelle Charpentier je leta 2011 ugotovila, kako zori crRNA v bakteriji S. pyogenes ter kateri so ključni deli genskega zapisu v bližini CRISPR. Odkrila je majhno molekulo RNK (tracrRNA) s 25 baznimi pari, ki se prepiše iz regije 210 baznih parov pred CRISPR, in ki se poveže s pre-crRNA, pri čemer pomaga protein Cas 9. Omenjena tracrRNA je ključna za zorenje pre-crRNA v crRNA. Nato je začela sodelovati z Jennifer Doudna. Medtem ko samo crRNA in Cas9 ne zmoreta cepiti DNK, sta raziskovalki odkrili, da se po dodatku tracrRNA vsaj in vitro to zgodi. Funkcija tracrRNA je torej dvojna: omogoča zorenje pre-crRNA in kasnejšo aktivacijo Cas9, ki ga na mesto, kjer želi cepiti DNK, vodi crRNA.

Sistem je danes dobro poznan, metoda pa optimizirana. Na Cas9 lahko na primer pripnemo encim reverzne transkriptaze, ki prepisuje RNK nazaj v DNK. S crRNA usmerimo Cas9 na mesto, kjer želimo izvesti popravek, potem pa reverzna transkriptaza iz matrične RNK v DNK zapiše, kar želimo tja vnesti. Tako lahko spreminjamo DNK. Metoda omogoča ciljano rezanje DNK, kar je bilo še pred desetletjem znanstvena fantastika.

Metoda CRISPR-Cas9 je tako preprosta in zmogljiva, da je danes rutinska v bazičnih raziskavah. Omogoča spreminjanje DNK celic in laboratorijskih živali. Uporablja se pri ciljanjem gojenju rastlin, kjer jo pogosto uporabijo za selektivno uvedbo odpornosti na določene kemikalije (pesticide, herbicide, antibiotike itd.). S tem je možno zelo natančno uvesti odpornost in se izogniti nevarnosti, da sposobnost pobegne v okolje. Danes poznamo riž, ki zaradi genskih manipulacij iz tal počrpa manj težkih kovin. V humani medicini pa je uporaba še zelo sramežljiva, a se genske škarje uporabljajo pri nekaterih oblikah imunoterapije proti raku. Potekajo klinični preizkusi, kako bi metodo uporabili za zdravljenje genskih bolezni, kot so denimo srpastocelična anemija ali Huntingtonova bolezen. Metoda se še ne uporablja, ker obstajajo tako tehnološki kakor pravni pomisleki (so pa jo Kitajci že uporabili). Zlorabiti jo je možno za genske manipulacije na zarodkih, kar je prepovedano, saj se njihove celice dedujejo, take spremembe pa so zakonske prepovedane. Toda - tehnologija je praktično tu. Naloga družbe je, da jo primerno regulira, ker izginila ne bo nikoli več, lahko pa olajša življenje milijonom posameznikov z genskimi boleznimi. Kakor smodnik jo lahko uporabimo v dobro ali zlo.

0 komentarjev



Vredno ogleda ...

TemaSporočilaOglediZadnje sporočilo
TemaSporočilaOglediZadnje sporočilo
»

Prvič uporabili sistem za gensko urejanje CRISPR v človeku

Oddelek: Novice / Znanost in tehnologija
313238 (905) T-h-o-r
»

Razvita nova različica metode CRISPR

Oddelek: Novice / Znanost in tehnologija
52170 (1069) Markoff
»

Nadaljevanje zgodbe o gensko spremenjenih dvojčicah in zakaj ju ne bi smeli dobiti

Oddelek: Novice / Znanost in tehnologija
306807 (2779) SaXsIm
»

Genska terapija zdravi mišično distrofijo pri psih

Oddelek: Novice / Znanost in tehnologija
315609 (4019) Aggressor
»

Bakterija z razširjeno gensko abecedo proizvaja drugačne proteine

Oddelek: Novice / Znanost in tehnologija
93593 (1932) bMozart

Več podobnih tem