Как ГМО спасает планету и почему люди этому мешают

Эта маленькая глава посвящена молекулярным ножницам – системе бактериального иммунитета, легшей в основу технологии CRISPR/Cas, которая 10 лет назад покорила ученых всего мира[364]. Миллиарды лет бактерии использовали ее для борьбы с проникающими в них врагами. А потом как обычно – ученые что-то заметили, много лет пытались понять, что именно они заметили, потом осознали и успешно поставили себе на вооружение.

Охранный механизм бактерий после некоторых доработок оказался чрезвычайно удобен для вырезания ненужных или испорченных фрагментов ДНК (иногда РНК) прямо внутри живой клетки(!), а при некоторой его доработке и вставки на место разреза нужной ученым последовательности.

Как же это все происходит у бактерий и архей? Вернемся к аналогии. Офис шерифа – это набор последовательно идущих генов, расположенных, как правило, на хромосоме бактерии. С этого блока генов читаются:

• шерифы – белки Cas9. Они находят преступника и уничтожают его[365];

• секретарь – лидерная последовательность. Находится рядом с генами cas-белков. С нее начинается архив, за который она отвечает;

• архив – собрание личных дел преступников, лежащих в одинаковых папках «Дело № _». Все папки с записями вместе называются CRISPR-кассетами,

• сами записи – информация о преступниках, которые когда-либо попадались в лапы шерифов – спейсеры. Это кусочки генов, вырезанные из геномов ранее нападавших на бактерию вирусов;

• папки «Дело № _» – повторяющиеся блоки, повторы. У разных организмов их длина может отличаться. Обычно в таком повторе по 24–48 генетических букв. Они разделяют между собой записи о преступниках.

Каждый день секретарь (лидерная последовательность) перебирает в архиве папки с делами, изготавливая копию фотографии каждого преступника (считывает последовательности CRISPR-кассет – кусочки генов, некогда пойманных и побежденных вирусов в РНК). Делает это последовательно: начинает с промотора лидерной последовательности и далее идет по порядку. Перед началом рабочего дня каждый шериф (белок Cas9) получит по такой копии (той самой РНК, она будет называться направляющей) и отправится на патрулирование улиц – территории клетки. У каждого шерифа свое задание – именно порученного ему преступника он теперь и будет выслеживать.

Представим теперь, что в бактерию проникнет вирус-преступник, братья-близнецы которого уже попадались однажды патрульным. То есть оставили в базе свои фото перед трагической гибелью. Так что наш нарушитель рискует встретиться с рыскающими по клетке шерифами-Cas9, у которых есть ориентировка на всю его преступную семейку.

Разные Cas9 будут подлетать к злодею и прикладывать к нему фото – свою направляющую РНК, изготовленную по фрагменту ДНК(РНК) ранее уничтоженного вируса. Нет в нарушителе такого фрагмента? Этот шериф убегает дальше. Есть подобный? Руки вверх! Шериф выхватывает острые ножницы и уверенным движением кромсает нарушителя пополам! Ну а перед тем, как останки нарушителя будут окончательно уничтожены другими механизмами клетки, от него отрежут кусочек (сделают фото) и принесут к секретарю – лидерной последовательности. Далее эту «фотографию» только что убитого нарушителя добавят в архив. Архив увеличится, шерифы станут более информированы, а записи будут переданы вместе с архивом следующим поколениям бактерии.

Кстати, а могут ли охранники навредить самой бактерии? Ведь есть вероятность, что на бактериальной хромосоме какой-то фрагмент совпадает с портретом врага. Все продумано: Cas-белки режут не все, что им вздумается, но только если рядом с потенциальным совпадением есть специальная последовательность из нескольких нуклеотидов (PAM – Protospacer Adjacent Motif)[366]. Такая последовательность есть у вирусов, но ее нет в геноме самой бактерии. Так что «невиновные» в этом мире закона и порядка полностью в безопасности!

Итак, именно этот метод взяли и поставили себе на службу ученые. Достаточно сконструировать направляющую последовательность так, чтобы она соответствовала фрагменту в геноме редактируемого растения или животного, который мы хотели бы разрезать. А затем ввести уже «настроенную» CRISPR/Cas9-систему в клетки. А еще вместе с системой можно ввести фрагменты ДНК, которые мы хотели бы вставить на место разреза. И вуаля, немного биологической магии, и перед нами ГМО[367].