Nobel z chemii 2020 za „przepisywanie kodu życia”

Piękna sala gmachu Królewskiej Szwedzkiej Akademii nauk gościła we wtorek nielicznych dziennikarzy i uczonych, gdyż ogłaszano tam Nagrody Nobla z fizyki. Środa jest dniem chemii. Ponownie Sekretarz Generalny Szwedzkiej Akademii Nauk Göran K. Hansson obwieścił po szwedzku, angielsku, niemiecku, francusku i rosyjsku wspaniałą wiadomość; mam łzy w oczach. Bo skoro Komitetowi Noblowskiemu nie udało się „przeforsować” metody CRISPR/Ca9 odciskającej już dziś wielkie piętno na badaniach biomedycznych podczas głosowań nad Noblem medycznym (co do nominacji nikt przytomny w temacie nie ma wątpliwości), to specjaliści od chemii w Królewskiej Akademii nie zawiedli. Choć de facto jest to Nobel za metodę biologii molekularnej, a nie chemii.

Tej chemii, która była nauką najbliższa samemu życiu i dziełu Alfreda Nobla. Procesy przemysłowe, którymi się zajmował (w tym najbardziej znane odkrycie i produkcja dynamitu, które przyniosły mu niewyobrażalne na owe czasy zyski), były oparte o chemię i jej reakcje. Nic zatem dziwnego, że ustanowił w swym testamencie nagrodę dla „osoby, która dokonała najważniejszego odkrycia lub usprawnienia chemicznego”.

Tu nie ma wątpliwości, że dokładnie z takim zjawiskiem mamy do czynienia. Od czasu opracowania techniki PCR (Nagroda Nobla z chemii za 1993 r. dla Kary'ego Mullisa) nic ważniejszego w biologii molekularnej nie wymyślono ani nie wprowadzono do inżynierii genetycznej. Samo odkrycie jest z 2011 r., a jego praktyczne zastosowania w biologii molekularnej powstały niemal natychmiast – w mniej niż dwa lata – oraz bardzo szybko zostały skomercjalizowane i są dzisiaj powszechnie wykorzystywane.

Nam, Polakom, Nagroda Nobla z chemii jest bliska, bo to właśnie w tej dziedzinie nagrodę w 1911 r. (jako swego drugiego Nobla) odebrała Maria Skłodowska-Curie, m.in. za odkrycie polonu. Do dziś nagrodę przyznano 112 razy, a cieszyło się nią już 185 osób – Frederick Sanger był nią nagrodzony dwukrotnie: 1958 r. za metodę ustalania struktury białek (a detalicznie – poznanie za jej pomocą insuliny), a potem w 1980 r. za opracowanie enzymatycznej metody sekwencjonowania DNA. Ta jeszcze dekadę temu była absolutnie wiodąca, a stanowiła gigantyczny przełom umożliwiający poznanie kwasów nukleinowych i całych genomów.

I to te całe genomy są bohaterami tegorocznego Nobla z chemii. Panie Emmanuelle Charpentier i Jennifer A. Doudna obmyśliły sposób już nie jak czytać „księgę życia” danego organizmu, jaką jest genom, ale jak ją pisać na nowo – zmieniając dowolnie wybrane zdania na inne.

Czyni się to dziś już powszechnie, w dwóch podstawowych celach: by badać, jak działa w komórkach informacja genetyczna i by ją zmieniać w celu pozyskiwania nowych cech lub „leczenia” zmian leżących u źródła chorób – to nadal jeszcze wyłącznie eksperymentalnie.

Odkąd jednak udało się tą metodą wyedytować ludzkie zarodki i powołać do życia dwójkę dzieci ze zmienionym celowo zapisem genetycznym, co chroni je przed zakażeniem HIV, ale jest bioetycznie mocno wątpliwe, o czym pisałam tu, jest jasne, że ewentualny potencjał terapeutyczny tej metody jest ogromny. Podobnie jak jej możliwości wprowadzania zmian do genomu ludzkiego, co samo w sobie może się okazać niebezpieczne dla przyszłości.

Choć jedna z nagrodzonych jest Francuzką „wychowaną” przez Instytut Pasteura w Paryżu, dziś pracującą w Max Planck Unit for the Science of Pathogens w Berlinie, a druga – Amerykanką z University of California w Berkeley, ta pierwsza zaś jest znacznie mniej utytułowana (jeśli spojrzeć na tzw. impact factor) od drugiej, od lat stanowią piękny przykład współpracy, a nie konkurencji w nauce. Charpentier zajmowała się zawsze bakteriami i ich systemami obrony przed atakującymi je wirusami. Natomiast Doudna to specjalistka od RNA.

Badając te bakteryjne systemy „genetycznej obrony immunologicznej”, Charpentier pojęła, że bardzo szczególna cząsteczka RNA, tzw. wiodącego, jest tu istotna. I szukając zrozumienia zjawiska, które obserwuje, znalazła Jennifer A. Doudna.

Razem dzisiejsze noblistki nie tylko zjawisko opisały, ale skonstruowały na jego podstawie – jak to ujęła przedstawicielka Komitetu Noblowskiego – „elegancką” metodę edycji genów w całych genomach, w żywych komórkach. Metodę, której potencjał w zastosowaniach inżynierii genetycznej wszelkich typów komórek i organizmów jest praktycznie nieograniczony.

W całej metodzie CRISPR/Cas9 chodzi o to, żeby móc przeciąć nić DNA w takim miejscu, w jakim nam się podoba – maksymalnie specyficznie, a następnie wprowadzić w owym miejscu zmianę, jaka nam jest potrzebna, by w końcu miejsce to razem z ową nowo wprowadzoną zmianą genetyczną zaczęło normalnie funkcjonować w genomie ŻYWEJ komórki.

Czasem, gdy ta komórka jest zarodkowa lub rozrodcza, owa zmiana zostanie wyrażona w całym powstałym z nich organizmie potomnym i potencjalnie jego potomstwie. Metodę zatem określa się mianem „genetycznych nożyczek”, ale umówmy się, że są to ostrza bardzo precyzyjne, chirurgiczne.

I to w dodatku pochodzenia naturalnego, bo tym lub bardzo podobnym sposobem powodujący m.in. anginę paciorkowiec ropotwórczy (Streptococcus pyogenes), a, jak się potem okazało, większość bakterii znanych nauce, broni się przed atakującymi je wirusami i tworzy, nie bójmy się tego sformułowania, własną pamięć immunologiczną.

Dzieje się tak dlatego, że fag wchodząc do komórki bakteryjnej przynosi swój materiał genetyczny – w przypadku wirusów bakteryjnych jest to praktycznie zawsze DNA. Tam ten materiał jest rozpoznawany jako obcy i cięty na kawałki, ale dodatkowo porównywany z kawałkami poprzednio spotkanych przez bakterię wirusów. Jeśli jest „nowy” w tym gronie, zostaje wstawiony do DNA bakterii tuż obok poprzedników.

Trochę to przypomina tablicę ogłoszeń ze sklepu Społem w komedii Stanisława Barei „Co mi zrobisz, jak mnie złapiesz”, gdzie wieszano w rządku zdjęcia konkretnych osób a pod nimi po oczach bił napis: „Tych klientów już nie obsługujemy!”

Następnie owa DNA-tablica ogłoszeń o zwycięskich potyczkach z wirusami (to ona się właśnie nazywa CRISPR) jest przepisywana na RNA, ten zaś jest cięty na kawałeczki odpowiadające „sygnaturze” pojedynczego faga. Bakteria ma dodatkowo białko zwane Cas9, które umie rozcinać DNA, ale tylko przy spełnieniu konkretnego warunku: o ile ono umie się specyficznie połączyć z ową pojedynczą „sygnaturą”. A umie się z nią połączyć TYLKO wtedy, gdy jest to DNA wirusa, z którym bakteria już wcześniej „miała okoliczność”. No, to trzeba teraz bigosować, jak by to ujęli nasi przodkowie. I Cas9 bigosuje ów obcy DNA.

Przyglądając się działaniu tego systemu i jego elementom białkowym i nukleinowym umożliwiającym tak specyficzne niszczenie i zapamiętywanie wrogów, dwie panie (czy raczej ich doktoranci, ale o tym za chwilę) wpadły na pomysł, że przecież taki system można próbować wykorzystać w inżynierii genetycznej. Bo jest nieduży i z wszelkim prawdopodobieństwem będzie działał we wszelkich, nie tylko bakteryjnych komórkach.

Wystarczy komórkom wszelkim dostarczyć owego Cas9 oraz konkretnej sekwencji „sygnatury” – to byłby w tym wypadku fragment dowolnego genu, który chcemy „pobigosować” w formie jednoniciowej, jak najbardziej podobnej do RNA. Myśl swoją zatem doprowadziły do, jak widać, wspaniałego końca. Otrzymały dziś nagrodę Nobla z chemii za stworzenie programowalnego, w pełni enzymatycznego systemu modyfikacji sekwencji DNA – tak by to ujął chemik.

To niejedyny mechanizm, którym bakterie walczą ze swymi wirusami i nie jedyny wykorzystany przez inżynierię genetyczną. Od grubo ponad pół wieku są bowiem z nami w laboratoriach enzymy restrykcyjne – maszynki do specyficznego cięcia DNA. Ale one dają się wykorzystać tylko do DNA wyjętego już z żywej komórki, nie da się nimi zmieniać genomu działającego wewnątrz niej.

CRISPR/Cas9 i kolejne modyfikacje tej metody są równie specyficzne przy poszukiwaniu fragmentu DNA do „cięcia-gięcia”, jak PCR w poszukiwaniu fragmentu do amplifikacji. Nagrodzona właśnie Noblem z chemii metoda daje się też wykorzystać także w technikach diagnostycznych – nawet opracowywanych dziś dla walki z pandemią COVID-19.

Poprosiłam prof. dr hab. Ewę Bartnik z Uniwersytetu Warszawskiego, która w niedawnej rozmowie ze mną dla mojego kanału Naukovo.pl przewidywała Nobla za CRISPR/Cas9, aby skomentowała historię i znaczenie tego odkrycia nie tyle dla chemii, co dla medycyny. Wyjaśniła, że już dziś tą metodą uzyskuje się wiele terapeutycznych komórek, np. niezbędnych w tzw. immunoterapii nowotworów.

Ponadto za pomocą CRISPR/Cas-9 uzyskano świnie, które nie mają już swoich własnych wirusów (tzw. retrowirusów) groźnych dla człowieka. A zatem organy takich zwierząt mogłyby – po pewnych dalszych modyfikacjach – być wykorzystywane do przeszczepów u ludzi. Konkretne zastosowania w terapiach genowych rozmaitych ludzkich chorób są natomiast dziś przedmiotem intensywnych badań na zwierzętach.

Prof. Bartnik opowiedziała mi też o wątku polskim w odkryciu CRISPR/Cas-9, a mianowicie o panu Krzysztofie Chylińskim, który od 2008 r. robił swój doktorat na Uniwersytecie Wiedeńskim pod kierunkiem Emmanuelle Charpentier i Renée Schroedera. Zajmował się białkami wiążącymi RNA u S. pyogenes, tak więc tematem wiodącym jego pracy stał się zauważony przez niego system, dziś nazywany CRISPR/Cas-9.

Był on istotnym współautorem (wraz ze Słowakiem Martinem Jinekiem, dziś z Uniwersytetu w Zurychu, a wtedy młodym naukowcem w laboratorium Jennifer A. Doudna) w najistotniejszych pracach dotyczących tego mechanizmu.

Jak dziś przyznają, dużo rozmawiali ze sobą po polsku (Słowak znał nasz język, pochodzi z rejonu przygranicznego), budując współpracę francusko-amerykańską, wiedzę o CRISPR/Cas-9 i najnowszego Nobla. Tak to już jest, że Nagroda Nobla jest w istocie przyznawana uczonemu, który kierował zespołem badawczym, ale ten, jak każdy inny sukces w nauce, ma wielu ojców – całe laboratoria.

Jak z kolei wyjaśnił mi chemik, prof. dr hab. Wojciech Grochala z Uniwersytetu Warszawskiego, Nagrody Nobla z chemii za de facto biologię są coraz częstszym w ostatnich 30 latach zjawiskiem. Chemia jest dziś nauką, gdzie fundamenty są już mocno położone, co ma swoje konsekwencje dla jej dalszego rozwoju. Biologia – choć historycznie wcale od chemii nie młodsza, nie wypracowała jeszcze wielu swoich podstawowych uogólnień. Stąd wszystko jest nowe i przełomowe.

To kwestia samej natury rzeczy – biologia zajmuje się układami niezwykle skomplikowanymi. Żywa komórka to gąszcz procesów – żaden chemiczny proces produkcyjny nie jest tak wieloetapowy i złożony, jak ów naturalnie występujący w komórce bakteryjnej CRISP/Cas-9.

I stąd nie zadziwia, że Nagrody Nobla z chemii powędrowały do francuskiej mikrobiolog i amerykańskiej biolog molekularnej. Chemia zrobiła się bardzo szeroką dziedziną.

#nagroda nobla #chemia #nobel z chemii