Poszukiwanie kryptonitu, który może powstrzymać CRISPR

Koncepcyjna ilustracja nożyczek do papieru skalnego ans DNA, CRISPR i Anti-crispr Pani Tech; dna papieru przez: Jorge C. Lucero | Flickr; kamień i nożyczki: pixabay

We wrześniu 2016 r. Jennifer Doudna zadzwoniła do swojego biura nowego kolegi, Kyle'a Wattersa. Do tego czasu biochemik z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley był znany jako współtwórca CRISPR. Wynalezienie szybkiego i wszechstronnego narzędzia do edycji genów przyniosło jej światową sławę i znaczne bogactwo. Była założycielką kilku start-upów i zebrała miliony pieniędzy z nagród naukowych.

Jednak złowieszczo, jak zrobiła Doudna zrelacjonowane Nawiedzał ją sen, w którym pojawił się Adolf Hitler, trzymając pióro i papier, prosząc o kopię przepisu CRISPR. Jaki okropny cel mógł mieć Hitler? Doudna, w swoich opowieściach o swoim śnie, nic nie powiedziała.

Teraz pytanie Doudny brzmiało, czy Watters chciałby popracować nad sposobem, aby to powstrzymać? Zatrzymaj CRISPR.

CRISPR znajduje się wewnątrz bakterii. To licząca miliardy lat obrona przed grasującymi wirusami, które wykrywają ich DNA i używają podobnego do nożyc białka, aby je posiekać. Doudna odegrała kluczową rolę w przekształceniu znaleziska w rewolucyjne narzędzie do edycji genów, które zostało przyjęte na całym świecie, napędzając falę nowe badania i potencjalne lekarstwa .

Ale jeśli naukowcy nauczą się dostarczać edytory genów do ludzkich ciał, co powstrzyma szaleńca, terrorystę lub państwo przed użyciem CRISPR do wyrządzenia szkody? Ludzie wyobrażają sobie spersonalizowane ataki, które uderzałyby tylko w określone grupy etniczne lub superżołnierzy zredagowanych tak, aby nie odczuwać bólu. Doudna dobrze znała ten dylemat. W jej książce Pęknięcie w stworzeniu napisała, że ​​obawia się, że edycja genów może zwrócić uwagę świata, tak jak zrobiła to energia atomowa, w chmurze grzyba. Czy ja i inni zaniepokojeni naukowcy moglibyśmy ocalić CRISPR przed samym sobą… zanim doszło do kataklizmu?

Teraz będzie miała szansę. Wcześniej w 2016 roku amerykańskie agencje wywiadowcze uznały edycję genów za potencjalną broń masowego rażenia. We wrześniu do akcji wkroczyła Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA), wystosowując apel o nowe sposoby kontrolowania lub odwracania skutków technologii edycji genów. Program o nazwie Bezpieczne geny , skończyłoby się budżetem przekraczającym 65 milionów dolarów, co czyniłoby go jednym z największych źródeł gotówki na badania CRISPR, obok start-upów biotechnologicznych opracowujących nowe terapie genetyczne.

Jednym z problemów, jak zauważył DARPA, był brak jakiegokolwiek łatwego w użyciu środka zaradczego, przycisku cofania lub antidotum na CRISPR. A im potężniejsza staje się edycja genów, tym bardziej możemy jej potrzebować – w razie wypadku laboratoryjnego lub gorzej. Jak ujął to UC Berkeley w 2017 roku informacja prasowa po tym, jak Doudna, z pomocą Wattersa, zażądała części dużego kontraktu DARPA, uniwersytet zamierzał zbudować narzędzia do zwalczania zagrożeń bioterrorystycznych, w tym broń wykorzystującą sam CRISPR.

Broń CRISPR? Zostawimy to Twojej wyobraźni, jak mógłby wyglądać. Można jednak śmiało powiedzieć, że DARPA poprosiła Doudnę i innych, aby zaczęli szukać leczenia profilaktycznego, a nawet pigułek, które można by zażyć, aby zatrzymać edycję genów, tak jak można połknąć antybiotyki, jeśli dostaniesz list z wąglikiem w Poczta. Naukowcy biorący udział w projekcie Doudny twierdzą, że rozpoczną wstępne testy na myszach, aby sprawdzić, czy gryzonie można uodpornić na redaktorów CRISPR.

Czy możemy wyłączyć CRISPR? - pyta Joseph S. Schoeniger, który kieruje jedną z części działań obronnych w Sandia National Laboratories w Livermore w Kalifornii. Na to właśnie patrzymy. Podstawową koncepcją jest to, że ta technologia się pojawia, [więc] nie byłoby miło mieć wyłącznik „off”.

Jennifer Doudna Alexander Heinl/picture-alliance/dpa/AP Images

Anty-CRISPR

Zanim Doudna przygotowała projekt swojej propozycji dla DARPA, inni naukowcy mieli już jedną wielką wskazówkę, jak powstrzymać CRISPR. W starożytnej walce między bakteriami a wirusami zwanymi fagami, które je infekują, fagi wypracowały własne antidotum na CRISPR. W rzeczywistości ich genomy, jak się okazało, kryją w sobie zdolność do wytwarzania tego, co w istocie jest kryptonitem CRISPR – małych białek, doskonale dostrojonych przez ewolucję, aby wyłączyć narzędzie do edycji genów. Naukowcy nazywają te cząsteczki anty-CRISPR.

Pierwsze anty-CRISPR odkrył w 2013 roku student Uniwersytetu w Toronto, Joseph Bondy-Denomy. To był przypadek. Natknęliśmy się na fakt, że niektóre fagi wydawały się być odporne na CRISPR. Kiedy umieściliśmy faga w komórce, bakteria nie mogła się ochronić, mówi Bondy-Denomy, obecnie profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco. Szybko wskazał jeden z około 50 genów wirusa jako przyczynę. Pomyśleliśmy, wow, może to wyłącza CRISPR.

Liczba laboratoriów badających takie mechanizmy obronne jest mniejsza niż liczba pracujących z CRISPR. Ale walka z CRISPR sama w sobie staje się kwitnącą dziedziną. Odkryto już ponad 40 białek anty-CRISPR, wiele z nich w laboratorium Doudny. Inne zespoły odniosły wczesne sukcesy w lokalizowaniu konwencjonalnych chemikaliów, które również mogą hamować CRISPR. Dziś Amit Choudhary z Harvard Medical School w Bostonie, również dzięki finansowaniu z DARPA, zgłoszone znalazł dwa leki, które po zmieszaniu z komórkami ludzkimi zapobiegają edycji genów. Cechą charakterystyczną każdej potężnej technologii jest kontrola, mówi Choudhary. To takie proste.

Badacze tacy jak Bondy-Denomy uważają, że anty-CRISPR mogą odegrać rolę w ulepszaniu przyszłych metod edycji genów, dając naukowcom bardziej precyzyjną kontrolę. Na przykład zespół w Niemczech niedawno pokazał, czy: połączone CRISPR i anty-CRISPR , mogliby stworzyć edytor, który zmieni DNA tylko w komórkach wątroby, a nie w neuronach czy mięśniach.

Innym badanym zastosowaniem jest to, czy anty-CRISPR może stworzyć zabezpieczenie przed napędami genowymi. Fundacja Billa i Melindy Gatesów wspiera rozwój narzędzia CRISPR, które będzie rozprzestrzeniać się przez dzikie komary, powodując upadek ich populacji, z myślą o zapobieganiu malarii. Inni chcą rozwijać takie napędy genowe u myszy, aby mogły wytępić gryzonie z wysp bez użycia trucizny.

Ale co, jeśli te eksperymenty zwariują i doprowadzą do wymarcia? Naukowcy sądzą, że mogą tworzyć organizmy z wpisanymi w ich genomy anty-CRISPR, dzięki czemu są odporne. W początkowym dowodzie zasady, naukowcy w Kansas W zeszłym roku zmodyfikowano komórki drożdży z anty-CRISPR, aby oprzeć się napędowi genowemu. Jeśli jakieś północnokoreańskie laboratorium przyjdzie do ciebie z napędem genowym, aby wymazać uprawę o znaczeniu ekonomicznym, możesz mieć uprawę transgeniczną, która jest odporna. To jest scenariusz deski kreślarskiej, mówi Erik Sontheimer z University of Massachusetts Medical School.

Bioniespodzianka

Pojawienie się narzędzia CRISPR, które rozpoczęło się w połowie 2012 roku, zaskoczyło naukowców. Zasadniczo z dnia na dzień, metody inżynierii genetycznej z rękoczynami zostały zastąpione tanimi, wszechstronnymi i programowalnymi sposobami zmiany DNA w każdej żywej istocie. Prognozy, których zadaniem było przewidywanie nowych niebezpieczeństw, całkowicie przeoczyli CRISPR, mówi Renée Węgrzyna , naukowiec zajmujący się obroną biologiczną, który prowadzi program DARPA. Upokarzająca niezdolność do patrzenia w przyszłość szybko przekształciła się w pilną sprawę o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa narodowego.

To dlatego, że naukowcy, lekarze i start-upy wspierane przez inwestorów venture capital rozpoczęli wyścig, aby nauczyć się wdrażać CRISPR w roślinach, zwierzętach i ludziach, używając wirusów, zastrzyków, nanocząstek lub wstrząsów elektrycznych. A im lepsi się do tego doszli, tym bardziej realistyczne może się stać nowe zagrożenie biologiczne.

Do 2015 roku Doudna zaczęła również kwestionować, w jaki sposób CRISPR jest używany w bardziej rutynowych warunkach laboratoryjnych. Niektóre z eksperymentów wyglądały na niebezpieczne — co by było, gdyby doktorant został ranny? Wypychamy te technologie w świat i nie towarzyszymy im w środkach bezpieczeństwa, które powinny być na miejscu – powiedział Węgrzyn zgromadzeniu Fundacja Long Now , w 2017 roku w San Francisco. Naprawdę zacząłem odczuwać to poczucie pilności, że ktoś musi coś z tym zrobić.

W swoim przemówieniu Wegrzyn powiedziała, że ​​niebezpieczeństwo CRISPR było oczywiste z tego, jak naukowcy już używali edycji genów, aby wywołać chorobę u myszy, wycinając ważne geny. „Nie sądzę, że trzeba być ekspertem od bezpieczeństwa biologicznego, aby uznać, że istnieje potrzeba kontroli, gdy patrzy się na narzędzie, które może zarówno leczyć, jak i powodować choroby”, powiedziała zgromadzeniu w Kalifornii. Jeśli musimy natychmiast wyłączyć edytor genów, po prostu nie wiemy, jak to zrobić.

Nadal nie ma zgody co do tego, jak niebezpieczny CRISPR może trafić w niepowołane ręce. Ćwiczenia Red Team sponsorowane przez Centralną Agencję Wywiadowczą latem 2016 roku, podczas których grupa analityków zwana Jasonami została poproszona o wymyślenie swoich najgorszych pomysłów, nie rozwiązała problemu. Później Narodowe Akademie Nauk, Inżynierii i Medycyny, na prośbę Departamentu Obrony, stworzyły cały ranking możliwych zagrożeń ze strony biologii syntetycznej, umieszczając broń CRISPR na środku stawki. Wojsko stwierdziło, że nie widzi bezpośredniego zagrożenia dla żołnierzy.

Doudna zgadza się, że nie można przesadzać z niebezpieczeństwami CRISPR. Często otrzymuję te pytania dotyczące systemów CRISPR i nikczemnych zastosowań, i mam wrażenie, że nie martwię się o CRISPR mniej lub bardziej niż o inne rzeczy. Mówi, że ktoś mógłby zsyntetyzować wirusa ospy. Podobnie, podczas gdy jej badania mogą doprowadzić do ostatecznego antidotum na edycję genów, praca jej laboratorium z anty-CRISPR dotyczy głównie podstawowych pytań biologicznych. Wciąż jestem na pierwszym kroku, mówi. Jak to działa?

Inni jednak martwią się, że ryzyko jest już widoczne i że antidotum nie pojawi się wystarczająco szybko. Na przykład niektórzy naukowcy starali się uniemożliwić publiczną dyskusję na temat konkretnych badań CRISPR, a nawet usunąć wzmiankę o nich z Internetu, prawdopodobnie po to, aby dać naukowcom więcej czasu na opracowanie środków zaradczych. Powszechnie panująca postawa polega na tym, aby nie dawać ludziom paliwa do koszmarów, gdy aktywnie szukamy odpowiedzi. Zawsze istnieje obawa, że ​​wpadnie w panikę, mówi były współpracownik Doudny, Watters, który w 2018 roku napisał recenzję implikacje edycji genów dla bioasekuracji .

Film pokazujący edycję DNA przez CRISPR w czasie rzeczywistym Osamu Nureki, Nature Communications

Obrona CRISPR

W tym roku, w ramach projektu DARPA Doudny, zespoły naukowców planują rozpocząć swoje pierwsze eksperymenty — na myszach — w celu ustalenia, czy można je chronić przed CRISPR. Jedno laboratorium zaangażowane w prace znajduje się w Sandia National Laboratories, które będzie zatrudniać myszy przygotowane do edycji, ponieważ zostały zaprojektowane tak, aby rodziły się z molekularnymi nożycami CRISPR, białkiem zwanym Cas9, w każdej komórce.

Schoeniger, który kieruje projektem Sandii, mówi, że wkrótce jego laboratorium poinstruuje myszy, aby same się edytowały, ale także da im zastrzyk cząsteczek anty-CRISPR, aby sprawdzić, czy proces jest zablokowany. „Anti-CRISPR działa dobrze w naturze i staramy się sprawdzić, czy działa dobrze u zwierząt” – mówi.

Schoeniger uważa, że ​​istnieje znaczne ryzyko przypadkowej ekspozycji na środki CRISPR. W związku z tym, że wokół narzędzia do edycji rozwija się duża branża, CRISPR jest przekształcany w terapie genowe, zastrzyki, maści i żywność, co zwiększa ryzyko wypadku laboratoryjnego. Nawet tajny program broni biologicznej jest bardziej skłonny do przypadkowego uwolnienia zarodka projektanta niż przeprowadzenia ataku. Ponieważ ludzie używają tego w coraz większych ilościach, istnieje zwiększona szansa, że ​​ludzie wejdą w kontakt, zostaną dźgnięci lub spryskani, mówi. A jeśli dostanę mutagen rozpylony w oczy, byłoby miło go powstrzymać.

Pomocna może być również praca nad antidotum, podobnie jak public relations. Schoeniger mówi, że może przynajmniej osłabić mentalną dostępność złośliwej osobowości. Jeśli możesz to wyłączyć, może nie będą przeszkadzać. Z psychologicznego punktu widzenia fajnie jest mieć przycisk „wyłącz”. Fajnie jest pozycjonować tę technologię w społeczeństwie.

Schoeniger nie ma złudzeń, że antidotum na CRISPR sprawi, że zagrożenia znikną. W rzeczywistości problem bezpieczeństwa narasta, ponieważ laboratoria ulepszają narzędzie i wymyślają powiązane, z których każde ma inne konsekwencje dla bioobrońców. Naukowcy mogą czuć się zakłopotani ogromną szybkością, z jaką edycja genów i szerzej biologia syntetyczna przyspiesza, oraz sposobem, w jaki informacje rozprzestrzeniają się w Internecie.

Patrzymy na ogólny front ryzyka związany z technologią, na to, jak się ona rozwija i jak trudno jest nad nią zapanować oraz jak szybko ludzie wyrzucają scenariusze, i trudno jest racjonalnie zaradzić temu ryzyku, mówi Schoeniger. . Tymczasem, jak mówi, dobrym początkiem wydaje się nauka blokowania CRISPR w jego klasycznej, najprostszej formie. Wydaje się oczywiste, że chcielibyśmy modulować technologię, więc zróbmy to, próbując uporządkować priorytety, mówi Schoeniger. Do pewnego stopnia jest bałagan; nowa technologia eksploduje tak szybko.

ukryć