Nobel 2020: chemia

Trzeci dzień tygodnia noblowskiego jest poświęcony chemii. Göran K. Hasson rozpoczął od podkreślenia jest ważne jest rozdawanie tych nagród i świętowanie postępów nauki, nawet w obecnych okolicznościach. W tym roku, Akademia zdecydowała się nagrodzić naukowców, którzy zajęli się „przepisywaniem kodu życia”. 

Laureatkami Nagrody Nobla 2020 w dziedzinie chemii zostały:
• w połowie Emmanuelle Charpentier (ur. 1968, Max Planck Unit for the Science of Pathogens, Germany ) za badania nad metodą edycji genomu;
• w połowie Jennifer A. Doudna (ur. 1964, University of California, Berkeley, USA oraz Howard Hughes Medical Institute) za badania nad metodą edycji genomu.

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii dopiero po raz szósty i siódmy trafiła w ręce kobiet.

W uzasadnieniu nagrody, Pernilla Wittung Shede przyznała, że wielu czekało na tę nagrodę. Metoda odkryta przez tegoroczne laureatki, zwana CRISPR/Cas9 lub po prostu jako genetyczne nożyczki to elegancki sposób na przecięcie DNA w dokładnie jednym, określonym miejscu. Jest to dokonanie rewolucyjne, ponieważ pozwala nam na precyzyjną edycję genomu, czyli coś co do niedawna było bardzo trudne, o ile nie niemożliwe. Mimo, że odkrycie to ma dopiero 8 lat, już stało się powszechną metodą w laboratoriach biochemicznych, jest stosowane do modyfikacji roślin a nawet w terapiach u ludzi, w tym w badaniach klinicznych dla nowych terapii nowotworów. W zakończeniu uzasadnienia podkreślono, że obecnie w zastosowaniu tej metody ogranicza nas tylko wyobraźnia i że możliwe, że to dzięki niej uda się zrealizować nasze marzenie o leczeniu chorób genetycznych.

 

Ilustracja artystyczna

 

Czym więc jest ta rewolucyjna metoda? Pochodzi ona z badań nad prostym systemem immunologicznym bakterii Streptococcus pyogenes. Kiedy bakteria jest zainfekowana przez wirusa i przeżywa, zachowuje ona w specyficznym rejonie DNA zwanym jako CRISPR DNA fragment informacji genetycznej pochodzącej od wirusa. Zapewnia on bakterii ochronę przed kolejnymi infekcjami tego samego wirusa. Po przepisaniu informacji (transkrypcji) z DNA do RNA, RNA jest cięte przez enzym na kawałki odpowiadające informacjom genetycznym z poszczególnych infekcji. Ten precyzyjny proces cięcia jest możliwy dzięki fragmentom RNA znanym jako tracrRNA, które zostały odkryte i opisane przez Emmanuelle Charpentier w 2011 r. Charpentier wykazała, że tracrRNA wiąże się z RNA i z dwoma białkami bakteryjnymi, Cas9 i RNAZA III. Aby zbadać, w jaki sposób te nowopowstałe krótkie fragmenty RNA (zawierające materiał genetyczny odpowiadający poprzednim infekcjom wirusowym) zapewniają organizmom ochronę przed powtórnymi infekcjami, Charpentier i Doudna pracowały razem. Odkryły, że tracrRNA CRISPR RNA i białko Cas9 tworzą molekularne nożyczki, które poszukują RNA pochodzącego od wirusa, odpowiadającego sekwencji zapisanej w CRISPR RNA. Jeśli znajdą takie RNA, to jest ono cięte i przez to wirus jest deaktywowany.

Charpentier i Doudna zastanawiały się, czy da się uprościć ten system. Połączyły więc obie cząstki RNA w jedną, zwaną guideRNA. Okazało się, że ta pojedyncza cząsteczka guideRNA razem z Cas9 może nadal powodować rozcięcie wiralnego RNA. Dzięki temu udało się uprościć system do zaledwie dwóch cząsteczek. Kolejnym krokiem była próba zastąpienia CRISPR RNA sztucznie stworzoną sekwencją RNA. Okazało się, że ta technika pozwala na wycięcie dowolnej sekwencji DNA. W ten właśnie sposób powstał system umożliwiający targetowane i specyficzne przecięcie DNA. Było to przełomowe dokonanie. Pół roku później udało się dowieść, że ten system może również działać in vivo, w żywych komórkach.

Dlaczego ten system jest tak ważny, że otrzymał Nagrodę Nobla? Otóż już samo precyzyjne rozcięcie DNA może rozpocząć proces, w którym system naprawy obecny w komórce połączy DNA. System ten często generuje błędy, czego wynikiem jest inaktywacja genu, czyli jego wyłączenie. Natomiast jeśli chcemy  w sposób specyficzny zmienić DNA możemy wprowadzić do komórki krótki fragment DNA, podobny do regionu, który chcemy naprawić, który następnie zostanie użyty jako matryca do naprawy i połączenia DNA. Podsumowując, ta nowa technologia zrewolucjonizowała biologię molekularną - pozwala nam na modyfikację DNA, dodanie genu i przede wszystkim naprawianie błędów w DNA, np. w przypadku anemii sierpowatej. CRISPR- Cas9 może pozwolić na zmianę DNA w komórkach macierzystych hemopoezy (tworzących krew) tak, by tworzyły prawidłowe krwinki. Mimo potencjalnego zagrożenia, jakie ze sobą niesie, i wskazanej wielkiej rozwagi w jej stosowaniu, otwiera przed ludzkością wiele nowych możliwości.

 

Laureatki Nagrody Nobla 2020 w dziedzinie chemii

 

Jedno z pytań zadanych przez dziennikarzy dotyczyło właśnie aspektu etycznego stosowania tej metody: czy jedyną granicą jej stosowania powinna być nasza wyobraźnia. Pernilla Wittung Shede przyznała, że starała się podać krótkie uzasadnienie, ale etyka, prawo i regulacje są bardzo ważne, już istnieją i są nadal rozwijane. Hansson dodał, że istnieją specjalne komisje, które zajmują się tworzeniem odpowiednich regulacji.

Pierwsze pytanie zadane Charpentier, do której udało się dodzwonić było… bardzo prywatne. Została zapytana o wiarę i czy, podobnie jak 70% laureatów Nobla (choć nie udało nam się potwierdzić tej liczby), rozmawia z Bogiem. Charpentier zareagowała nerwowym śmiechem i przyznała, że choć została wychowana w religii katolickiej, obecnie wierzy w naukę. Kolejne pytanie dotyczyło faktu, że od kilku lat CRISPR był wymieniany wśród kandydatów do otrzymania nagrody, więc można powiedzieć, że jest to spodziewane zwycięstwo. Charpentier przyznała, że była zdziwiona, że w ciągu zaledwie 8 lat od publikacji swoich odkryć otrzymała tyle wyróżnień i wiele razy słyszała, że „powinna otrzymać Nagrodę Nobla”. Jednak samo słyszenie tego - nawet wielokrotne - nie sprawia, że zaczyna się tego oczekiwać. Kiedy więc odebrała telefon ze Sztokholmu, była bardzo zaskoczona i nie dowierzała, że to się naprawdę dzieje. 

Charpentier otrzymała też pytanie, jakie zastosowanie jej technologii najbardziej ją ekscytuje (padły tu propozycje szczepionki na SARS-CoV-2). Przyznała, że nie widzi bezpośredniego związku między powstawaniem szczepionki i technologią CRISPR/Cas9, natomiast pośrednio badania używające tej technologii mogą się przysłużyć badaniom nad szczepionkami.

Kolejne pytanie dotyczyło faktu, że jest to pierwsza nagroda Nobla, która jest dzielona tylko przez kobiety. Charpentier przyznała, że choć widzi siebie głównie jako naukowca a nie kobietę, to jednak ma nadzieję, że wyśle pozytywny sygnał do młodych dziewcząt i kobiet, które chciałyby podążać ścieżką badawczą i pokaże im, że kobieta w nauce może zdobyć duże znaczenie właśnie poprzez badania, które przeprowadza.

 

W czasie ogłaszania laureatów padło również pytanie, czy rozważano jeszcze jakąś osobę. Jego źródło nie jest błahe i wynika ze skomplikowanego statusu prawnego systemu CRISPR/Cas9 oraz wspomnianego nawet w uzasadnieniu badaniu opublikowanemu 7 miesięcy później przez Fenga Zhanga, który wykazał, że system ten może być używany do edycji genomu oraz jako pierwszy pokazał jego zastosowanie w komórkach eukariotycznych. Właśnie z tego powodu, Broad Institute, w którym pracował Zhang, otrzymał patent na stosowanie tej techniki, o którego utrzymanie obecnie toczy prawną batalię z instytucjami w których afiliowane są tegoroczne laureatki. Szwedzka Akademia Nauk wyjaśniła odrobinę wymijająco, że na takie pytanie nigdy nie odpowiadają. Podkreśliła jednak, że jest to bardzo duży odłam nauki i w tym obszarze prowadzonych jest mnóstwo dobrych badań - ale decyzją było przyznanie nagrody jedynie Charpentier i Doudnie. 

W całej tej historii jest jeszcze jeden, często pomijany gracz – litewski biochemik Virginijus Siksnys, którego grupa badawcza opracowała system CRISPR/Cas9 niezależnie od Charpentier i Doudny. Jego publikacja została opublikowana kilka miesięcy po Charpentier i Doudny. Kończyłoby to sprawę, gdyby nie to, że artykuł Siksnysa został napisany i wysłany do czasopisma Cell aż dwa miesiące przed publikacją tegorocznych laureatek. Został on jednak odrzucony... bez procesu recenzowania. Natomiast publikacja Charpentier i Doudny zgłoszona do Science otrzymała szybszą ścieżkę i dlatego właśnie pojawiła się jako pierwsza.
Pozostaje jeszcze kwestia cichych bohaterów każdej nagrody Nobla – zastępów doktorantów i młodych naukowców, którzy wykonywali większość doświadczeń, często sami je proponowali, ale ich wkład jest niemal zawsze przyćmiony przez szefów grup badawczych, którzy zazwyczaj są tymi, którzy zdobywają uznanie i nagrody.

dr Karolina Mirowska, Centrum Nauki i Techniki EC1