Сэмюел Стернберг - Трещина в мироздании [litres]

Но чтобы превратить эту крошечную молекулярную машину в мощный инструмент редактирования генома, предстояло сделать еще один шаг. К тому времени мы уже разобрали сложный иммунный ответ на простые части, которые можно разделять, изменять и комбинировать по-разному. Более того, тщательно проведя биохимические эксперименты, мы установили молекулярные правила, управляющие функциями этих различных частей. Теперь же мы хотели удостовериться, что можем видоизменять Cas9 и молекулы РНК для нацеливания на любую выбранную последовательность ДНК и для ее уничтожения. Если сможем – значит, CRISPR поистине мощный инструмент.

Процесс программирования машины CRISPR-Cas9 на самом деле состоял из двух этапов: из проработки идеи и собственно эксперимента. Сначала, конечно, идея. Мартин со своей обычной дотошностью методично модифицировал обе молекулы РНК – молекулу РНК CRISPR, отвечающую за наведение на цель, и молекулу трансактивационной РНК, которая удерживает вместе молекулы РНК CRISPR и Cas9 (с тем чтобы определить, каким образом каждая “буква” каждой РНК влияет на ее функции). На основе этой информации мы с Мартином придумали способ слить две молекулы РНК в одну. Если соединить конец одной молекулы с началом другой, то итоговая гибридная РНК – если она вообще окажется работоспособной – поможет нам упростить машину для нарезки ДНК, которую мы программируем: нам не придется добавлять к Cas9 две молекулы РНК – гида (РНК CRISPR) и помощника (трансактивационную РНК). Вместо этого мы сможем использовать фермент в сцепке с единственной молекулой РНК – РНК-гидом, который выполнял бы обе задачи. Снижение сложности системы сильно повысило бы удобство ее применения.

Мы продумали эксперимент в соответствии с этой идеей. Нам нужно было проверить, может ли одна эта гибридная молекула РНК все так же направлять Cas9 к подходящей последовательности ДНК для разрезания последней. Также наш эксперимент должен был показать, действительно ли Cas9 можно запрограммировать на разрезание любой желаемой последовательности ДНК (как мы предполагали), а не только тех последовательностей ДНК фагов, которые были естественным путем отобраны системой CRISPR в ходе эволюции бактерий.

Исходя скорее из удобства, чем какого-либо предпочтения, – мы понимали, что совершили серьезный прорыв, и не хотели откладывать эксперимент из-за того, что под рукой нет подходящего гена, – мы решили использовать ген медузы, кодирующий зеленый флуоресцентный белок ( green fluorescent protein , GFP). Этот белок широко используется в лабораториях по всему миру для визуализации клеток и белков в их составе и стал настолько важным биотехнологическим инструментом, что в 2008 году принес группе ученых: Мартину Чалфи, Осаму Симомуре и Роджеру Тсиену – Нобелевскую премию по химии. Мартин Йинек выбрал пять различных последовательностей длиной в двадцать “букв” внутри гена-мишени и затем создал пять гибридных молекул РНК, точно совпадающих с ними. Как только гибридные РНК-гиды были готовы, мы использовали их вместе с Cas9 и ДНК медузы в уже привычном для нас опыте по разрезанию ДНК и стали ждать результатов.

Когда Мартин показал мне результаты эксперимента с GFP на одном из лабораторных компьютеров, рентгенограмма на экране монитора выглядела замечательно. Все ДНК GFP были разрезаны в заданных местах. Каждая гибридная молекула РНК сработала именно так, как нужно, выбрав именно тот участок ДНК медузы, который мы хотели надрезать и в паре с Cas9 разбить ее именно в том месте.

Программируемая нарезка ДНК посредством CRISPR-Cas9

Мы сделали это. За короткое время мы создали и протестировали новую технологию, которая, основываясь на исследованиях белков ZFN и TALEN, давала возможность редактировать геном – любой геном, а не только геномы бактериофагов. Из этой пятой системы вооружения бактерий мы сделали средство для переписывания кода жизни.

В тот вечер, пока я стояла у плиты и готовила ужин, в моей голове танцевали видения этой крошечной машины: Cas9 и его направляющая РНК, снующие по бактериальной клетке, охотящиеся на комплементарные последовательности ДНК. Внезапно я осознала, что громко смеюсь. Как же невероятно, что эта бактерия нашла способ запрограммировать для себя белок, сделав из него воина для поиска и уничтожения вирусной ДНК! И как же здорово, какое это фантастическое везение, что мы смогли приспособить этот фундаментальный механизм для совершенно других нужд. Это было удивительное время чистого наслаждения, наслаждения от открытия – такого же чувства, какое я испытала в лаборатории доктора Хеммеса много лет назад.

В июне 2012 года Эммануэль и Кшиштоф прилетели в Беркли на конференцию, благодаря чему у нас с Мартином появился шанс снова увидеться с ними лично. Учитывая, какой путь мы проделали вместе как ученые, было удивительно, что наше общение до того момента было почти полностью виртуальным. После бесчисленных телефонных звонков, бесед по скайпу и обмена электронными письмами мы все сидели в моем кабинете в Беркли, поражаясь результатам нашего недолгого, но интенсивного сотрудничества.

Эммануэль и Кшиштоф прибыли в Калифорнию на пятую ежегодную конференцию, посвященную CRISPR, – мероприятие, которое в 2012 году собрало исследователей из двадцати – тридцати лабораторий. Большинство этих ученых специализировались на науке о продуктах питания и микробиологии. CRISPR пока что еще не привлекал особенного внимания более широкого научного сообщества; за предшествующее десятилетие было опубликовано лишь около двухсот научных статей с упоминанием этой системы. Но мы знали, что скоро все изменится.

Время конференции не могло быть выбрано лучше – или хуже. С одной стороны, мы могли сравнить нашу работу с работами коллег. С другой стороны, предшествующие несколько недель были невероятно, до исступления бурными, и все мы хотели отдохнуть.

После эксперимента с GFP мы решили завершить проект как можно быстрее и опубликовать научную статью по его итогам. Еще до того, как Мартин и Кшиштоф закончили свои опыты, а наши зарубежные коллабораторы стали готовиться к поездке в Беркли, мы с Эммануэль начали писать ее.

Главной темой статьи было объяснение механизма работы CRISPR для противовирусной защиты у S. pyogenes , но мы также хотели отметить некоторые важные следствия из наших результатов. В аннотацию к статье мы включили упоминание того, что программируемый фермент, разрезающий ДНК, может быть использован для редактирования генома. Вдобавок мы завершили статью коротким, но значимым очерком возможных областей применения CRISPR не только в бактериях, но и в других типах клеток. Упомянув ZFN и TALEN, мы в заключение написали следующее: