Marc Zimmer, Colegiul Connecticut

Tehnica de editare genică CRISPR a câștigat Premiul Nobel pentru chimie în 2020. Recunoașterea acestei uimitoare tehnologii descoperitoare este bine meritată.

pentru

Dar fiecare premiu Nobel poate fi acordat nu mai mult de trei persoane și de aceea premiul din acest an devine cu adevărat interesant.

Decizia de a acorda premiul Jennifer Doudna și Emmanuelle Charpentier implică geopolitica și dreptul brevetelor și pune în față știința de bază cu știința aplicată.

Editarea scrisorilor în cartea vieții

CRISPR este un puternic instrument de editare a genelor care a dus biologia moleculară de la mașină de scris la epoca procesorului de text. S-ar putea spune că este ca Microsoft Word pentru cartea vieții. CRISPR permite unui cercetător să găsească nu doar o genă, ci o parte foarte specifică a unei gene și să o schimbe, să o șteargă sau să adauge o genă complet străină. Modificările genetice care obișnuiau să dureze ani de zile în laboratoarele biologice sofisticate se fac acum în zile și la un cost semnificativ mai mic.

Povestea CRISPR începe în 1987, când biologul molecular Yoshizumi Ishino și colegii săi de muncă au descoperit o stranie întindere palindromică de ADN în E. coli, o bacterie stomacală frecvent studiată. Nimeni nu și-a putut imagina ce scop a servit.

Până în 2002, metodele de secvențiere a ADN-ului erau mai ieftine și mai frecvente, iar cercetătorii găsiseră secvențele repetate ale lui Ishino în aproape jumătate din toate bacteriile și în majoritatea arhaelor unicelulare care fuseseră secvențiate. În acest moment au existat suficiente piese de puzzle pentru ca Francisco Mojica de la Universitatea din Alicante și Ruud Jansen de la Universitatea Utrecht să vină cu un acronim grozav: CRISPR - pentru repetări scurte palindromice scurte intercalate în mod regulat.

Aproape cinci ani mai târziu, la Centrul Național pentru Informații despre Biotehnologie din Bethesda, Maryland, Eugene Koonin a stabilit funcția ADN ciudat ca un sistem de apărare bacteriană compus din două părți. Primul este o porțiune de ADN care acționează ca un album de dușmani învinși. Când bacteria depășește un inamic, scoate o secțiune din materialul genetic al invadatorilor învinși și o plasează în album. Aceste fotografii genetice sunt separate prin întinderi repetitive de ADN care citesc la fel înainte sau înapoi. Acești biți palindromici de ADN sunt PR în CRISPR.

A doua componentă a sistemului de apărare bacteriană este o armă de căutare și distrugere. Fiecare lovitură genetică de cană are o proteină de căutare și distrugere asociată cu aceasta numită proteină asociată cu CRISPR (Cas). Aceste proteine ​​Cas circulă în interiorul celulei și, atunci când întâlnesc o porțiune de material genetic corespunzător țintei lor genetice, ucid invadatorul.

A fost nevoie de 20 de ani și multe cercetări pentru a descoperi și înțelege aceste proteine.

Apoi, în 2007, Danisco, o companie daneză de alimente și băuturi, a confirmat ipoteza lui Koonin că CRISPR este un sistem de apărare bacteriană. Astăzi, majoritatea producătorilor de iaurt și brânzeturi includ secvențe CRISPR în culturile lor pentru a-și proteja produsele de focare virale obișnuite. Potrivit lui Rodolphe Barrangou, care a efectuat această cercetare la Danisco SUA: „Dacă ați mâncat iaurt sau brânză, este posibil să fi consumat celule CRISPR”.

Valorificarea potențialului CRISPR

Jennifer Doudna, biochimist cu o vastă experiență de lucru cu ARN la Universitatea din California, Berkeley, a început să lucreze cu CRISPR în 2006. La o reuniune din 2011 a Societății Americane de Microbiologie din San Juan, Puerto Rico, a întâlnit-o pe Emmanuelle Charpentier, profesor asociat la Laboratorul pentru Medicina Infecției Moleculare Suedia la Umeå, care a lucrat la o anumită proteină asociată CRISPR numită Cas9.

Doudna și Charpentier aveau abilități complementare. În timp ce se plimba în jurul orașului vechi San Juan, Charpentier a convins-o pe Doudna că Cas9 este responsabil pentru găsirea secvenței ADN care corespunde cupei împușcate și tăierea acesteia. Doudna a fost intrigat și a fost de acord să arunce o privire mai atentă asupra rolului jucat de Cas9.

Charpentier a lucrat cu Cas9 în Streptococcus pyogenes, bacteriile care cauzează streptococul gâtului și bolile care mănâncă carne. Mai degrabă decât să-i trimită Doudnei aceste bacterii periculoase, ea a trecut peste noapte ADN-ul care codifică CRISPR-Cas9. Cu cât Doudna a studiat foarfeca moleculară a lui Charpentier, cu atât i-a devenit mai evident că acest sistem bacterian ar putea fi cooptat pentru a edita ADN-ul. Avea dreptate și, cu unele modificări, a transformat CRISPR-Cas9 într-un instrument de editare a genelor. Doudna a remarcat în memoriile sale că CRISPR-Cas9 „a fost arma bacteriană perfectă: o rachetă de căutare de viruși care ar putea lovi rapid și cu o precizie incredibilă”.

Doudna și colaboratorii ei și-au redactat rezultatele și și-au trimis manuscrisul în revista Science, care a urmărit rapid lucrarea și a publicat-o la câteva zile după depunere. În același timp, a depus o cerere de brevet pentru sistemul de editare genică CRISPR-Cas9.

Între timp, Virginijus Siksnys, biolog molecular la Universitatea Vilnius din Lituania, cu studii de bază într-o clasă de proteine ​​care taie ADN-ul numit endonucleaze de restricție, a prevăzut, de asemenea, potențialul sistemului CRISPR. El și-a prezentat propriile rezultate în revista Cell. Editorul a respins manuscrisul fără să-l trimită spre examinare. Siksnys, încrezător în munca sa și în importanța ei, și-a prezentat manuscrisul la Proceedings of the National Academy of Sciences. Lucrarea a fost trimisă înainte ca lucrarea lui Doudna să fie publicată, dar avea nevoie de unele revizuiri și a fost publicată astfel la trei luni după ce a apărut lucrarea lui Doudna.

La fel ca Doudna și Siksnys, Feng Zhang, profesor de neuroștiințe la MIT, folosea sistemul CRISPR-Cas9 pentru a edita ADN-ul. Dar, în timp ce ceilalți își făceau toată editarea în soluție, Zhang tăia ADN-ul cu CRISPR-Cas9 în celule umane. În ianuarie 2013, Zhang și-a publicat propria lucrare științifică. În acest moment, chiar dacă Doudna a solicitat un brevet cu șapte luni mai devreme, Feng Zhang a cerut angajatorilor săi, MIT și Institutului Broad, să depună un brevet în numele său.

Avocații Institutului Broad, știind că cererea Doudna era în curs, au plătit o taxă suplimentară pentru a le accelera cererea de brevet. A funcționat și li s-a acordat un brevet CRISPR-Cas9 înainte ca Doudna să i se acorde în cele din urmă al ei. Aceasta a început o bătălie juridică atent urmărită. Concursul este departe de a fi terminat, dar se pare că Doudna câștigă bătălia legală în UE și Zhang în S.U.A.

Politica în jurul premiului

Decizia de a acorda Premiul Nobel lui Doudna și Charpentier nu ar fi putut fi ușoară. Prin alegerea acestor doi peste Feng Zhang, Academia Regală de Științe din Suedia a transmis un mesaj major. Ar fi putut acorda premiul unui al treilea cercetător, dar nu. A fost o declarație destinată sistemului juridic?

Din fericire, oamenii de știință care folosesc CRISPR ca editor molecular nu sunt afectați de bătăliile legale. Ei își pot obține sistemele CRISPR din depozitul open-source Addgene. Aplicațiile clinice ale CRISPR - cum ar fi găsirea unui remediu pentru bolile genetice, cum ar fi fibroza chistică și anemia cu celule secera - vor fi cel mai probabil afectate de lupte legale, deoarece aceasta este cea mai comercială utilizare a tehnologiei.

Adesea, cercetarea științifică de bază nu merge nicăieri. De multe ori merge în direcții neașteptate. Uneori duce la concluziile cele mai interesante. CRISPR-Cas9 este unul dintre aceste cazuri. A început cu un palindrom care se repetă ciudat, s-a maturizat prin mozzarella și iaurt și a înflorit în cele din urmă într-un instrument contestat de editare a genelor, care a primit Premiul Nobel pentru 2020.

Acest articol a fost actualizat pentru a include Francisco Mojica și Ruud Jansen în descrierea cercetărilor CRISPR timpurii.

Marc Zimmer

Marc Zimmer nu lucrează, nu consultă, nu deține acțiuni sau nu primește finanțare de la nicio companie sau organizație care ar beneficia de acest articol și nu a dezvăluit nicio afiliere relevantă dincolo de numirea lor academică.