Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества

Сначала у Йинека и Хылинского не получалось заставить CRISPR-Cas9 разрезать ДНК вируса в пробирке. Они пытались задействовать лишь два компонента: фермент Cas9 и cгРНК. Теоретически cгРНК должна была направлять фермент Cas9 к вирусу, чтобы далее он разрезал мишень. Но ничего не получалось. Чего-то не хватало. “Мы недоумевали”, – вспоминает Йинек.

Именно здесь в наш рассказ возвращается tracгРНК. В статье 2011 года Шарпантье показала, что tracгРНК необходима для создания направляющей cгРНК. Позже она высказала подозрения, что tracгРНК играет еще большую, постоянную роль, но серия их изначальных экспериментов не предполагала проверку этой вероятности. Когда эти эксперименты провалились, Хылинский решил добавить в пробирку tracгРНК.

План сработал: трехкомпонентный состав стабильно разрезал ДНК-мишень. Йинек сразу поделился новостью с Даудной: “Без tracгРНК направляющая cгРНК не связывается с ферментом Cas9”. После этого прорыва Даудна и Шарпантье стали принимать более активное участие в повседневной работе. Они явно шли к важному открытию – определению главных компонентов системы CRISPR, разрезающей гены.

Ночь за ночью Хылинский и Йинек обменивались результатами, понемногу продвигаясь к разгадке, а Шарпантье и Даудна все чаще обсуждали стратегию. Они сумели выяснить точный механизм действия каждого из трех важнейших компонентов комплекса CRISPR-Cas9. cгРНК содержала 20-буквенную последовательность, которая выступала в качестве набора координат для направления комплекса к фрагменту ДНК с подобной последовательностью. tracгРНК, которая участвовала в создании этой cгРНК, теперь играла дополнительную роль, формируя структуру, удерживающую другие компоненты на нужных местах при привязке к ДНК-мишени. Фермент Cas9 делал разрез.

Однажды, сразу после того, как ключевой эксперимент дал положительный результат, Даудна у себя дома готовила спагетти. Наблюдая, как они закручиваются в кипящей воде, она вспомнила, как в школе, изучая ДНК, рассматривала под микроскопом сперму лосося, и рассмеялась. Ее сын Энди, которому тогда было девять лет, спросил, что ее рассмешило. “Мы нашли один белок, фермент Cas

9, – пояснила Даудна. – Его можно запрограммировать, чтобы он находил и разрезал вирусы. И это невероятно”. Энди продолжал расспрашивать, как он работает. За миллиарды лет, сказала она, бактерии выработали весьма странный и необычный способ защищаться от вирусов. И он способен к адаптации: всякий раз, когда появляется новый вирус, механизм учится распознавать его и давать ему отпор. Энди был поражен. “Я испытала двойную радость, – вспоминала Даудна, – радость от фундаментального открытия такой классной вещи и радость от возможности поделиться этим с сыном и объяснить все на понятном ему языке”. Любопытство в таком случае прекрасно[139].

Инструмент редактирования генов

Эта удивительная маленькая система, как скоро стало ясно, имела поистине судьбоносный потенциал: направляющую cгРНК можно было модифицировать, делая мишенью любую ДНК-последовательность по собственному выбору. Она поддавалась программированию. Она могла стать инструментом для редактирования генома.

Исследование CRISPR стало ярким примером переклички фундаментальной науки и трансляционной медицины. Сначала оно было движимо чистым любопытством охотников за микробами, стремившихся объяснить одну странность, с которой они столкнулись при секвенировании ДНК неординарных бактерий. Затем CRISPR изучали в попытке защитить бактерии йогуртовых культур от атакующих их вирусов. Это привело к фундаментальному открытию о рабочих механизмах биологии. Теперь биохимический анализ показывал путь к изобретению инструмента с практическим потенциалом. “Выявив компоненты системы CRISPR-Cas9, мы поняли, что можем программировать ее на свой лад, – говорит Даудна. – Иными словами, мы могли добавить другую cгРНК, чтобы в результате разрезать любую другую последовательность ДНК по нашему выбору”.

История науки знает не так уж много истинных озарений, но это было одно из них. “Нельзя сказать, что осознание пришло к нам постепенно, – вспоминает Даудна. – Все случилось внезапно”. Когда Йинек показал Даудне свои данные, демонстрирующие, что Cas

9 можно программировать с другими направляющими РНК, чтобы резать ДНК в желаемых местах, ученые замолчали и переглянулись. “Боже мой, это может стать мощным инструментом для редактирования генома”, – заметила Даудна. Иными словами, они поняли, что разработали способ переписывать код жизни[140].

Одиночная направляющая РНК

На следующем этапе предстояло выяснить, можно ли еще больше упростить систему CRISPR. Если да, то она могла бы стать не просто очередным инструментом для редактирования генома, а инструментом, который легче поддавался бы программированию и был бы дешевле существующих методов.