Многото приложения на CRISPR: Учените казват всичко

Смартфони, суперлепило, електрически коли, видео чат. Кога чудото на новата технология изчезва? Когато толкова свикнеш с присъствието му, че вече не мислиш за него? Когато се появи нещо по-ново и по-добро? Когато забравиш как са били нещата преди?

Какъвто и да е отговорът, технологията за редактиране на гени CRISPR все още не е достигнала тази точка. Десет години след това Дженифър Дудна и Еманюел Шарпентие първи представиха своето откритие на CRISPR, той остана в центъра на амбициозни научни проекти и сложни етични дискусии. Той продължава да създава нови пътища за изследване и да подновява старите изследвания. Използват го биохимици, както и други учени: ентомолози, кардиолози, онколози, зоолози, ботаници.

За тези изследователи част от чудото все още е там. Но вълнението от тоталната новост беше заменено от отворени възможности и текущи проекти. Ето няколко от тях.

Кати Мартин, ботаник в центъра на Джон Инес в Норич, Англия, и Чарлз Ксавие, основател на екипа на супергероите X-Men: И двамата обичат мутанти.

Но докато професор X има афинитет към свръхсилни човешки мутанти, д-р. Мартин е пристрастен към червения и сочен тип. “Винаги сме жадували за мутанти, защото това ни позволи да разберем функционалността.” Мартин каза за нейното изследване, което се фокусира върху геномите на растенията с надеждата да намери начини да направи храните – особено доматите в нейния случай – по-здравословни, по-здрави и по-дълготрайни.

Когато се появи CRISPR-Cas9, един от Dr. Колегите на Мартин предложиха да й направят мутант домат за подарък. Тя беше малко скептична, но му каза: „Много бих искал домат, който не произвежда хлорогенна киселина“, вещество, за което се смята, че има ползи за здравето; домати без него не бяха открити преди. д-р Мартин искаше да премахне това, което тя вярваше, че е ключовата генна последователност и да види какво се е случило. Скоро в лабораторията й беше домат без хлорогенна киселина.

Вместо да се търсят мутанти, вече беше възможно да се създават. „Получаването на тези мутанти беше толкова ефективно и беше толкова прекрасно, защото ни даде потвърждение на всички тези хипотези, които имахме“, д-р. — каза Мартин.

Съвсем наскоро изследователи от Dr. Лабораторията на Мартин използва CRISPR, за да създаде доматено растение които могат да натрупват витамин D при излагане на слънчева светлина. Само един грам от листата съдържа 60 пъти препоръчителната дневна стойност за възрастни.

д-р Мартин обясни, че CRISPR може да се използва в широк спектър от модификации на храните. Потенциално може да премахне алергените от ядките и да създаде растения, които използват водата по-ефективно.

„Не твърдя, че това, което направихме с витамин D, ще реши проблемите с несигурността на храните“, д-р. Мартин каза: „но това е само добър пример. Хората обичат да имат нещо, за което могат да се задържат, и това е там. Това не е обещание.”

Заразна болест

Кристиан Хапи, биолог, който ръководи Африканския център за върхови постижения за геномика на инфекциозните болести в Нигерия, е прекарал кариерата си в разработване на методи за откриване и ограничаване на разпространението на инфекциозни заболявания, които се разпространяват при хората от животни. Много от съществуващите начини за това са скъпи и неточни.

Например, за да извършите полимеразна верижна реакция или PCR тест, трябва „да извлечете РНК, да имате машина за 60 000 долара и да наемете някой, който е специално обучен“, д-р. Хепи каза. Същевременно е скъпо и логистично неправдоподобно да се проведе този вид тестване в повечето отдалечени села.

Наскоро д-р. Хапи и неговите сътрудници са използвали технологията CRISPR-Cas13a (близък роднина на CRISPR-Cas9) за откриване на заболявания в тялото чрез насочване към генетични последователности, свързани с патогени. Те успяха да секвенират вируса SARS-CoV-2 в рамките на няколко седмици след пристигането на пандемията в Нигерия и да разработят тест, който не изисква оборудване на място или обучени техници – само епруветка за изплюване.

“Ако говорите за бъдещето на готовността за пандемия, това е, за което говорите.” Хепи каза. „Бих искал баба ми да използва това в своето село.“

Базираният на CRISPR диагностичен тест работи добре в жегата, доста е лесен за използване и струва една десета от стандартния PCR тест. Все пак д-р. Лабораторията на Happi непрекъснато оценява точността на технологията и се опитва да убеди лидерите в африканските системи за обществено здравеопазване да я приемат.

Той нарече предложението им такова, което „е по-евтино, по-бързо, което не изисква оборудване и може да бъде избутано в най-отдалечените кътчета на континента. Това би позволило на Африка да заеме това, което аз наричам нейно естествено пространство.

Наследствено заболяване

В началото имаше нуклеаза на цинков пръст.

Това беше инструментът за редактиране на гени, който Ганг Бао, биохимичен инженер от Университета Райс, за първи път използва, за да се опита да лекува сърповидно-клетъчна болест, наследствено заболяване, белязано от деформирани червени кръвни клетки. Отне Dr. Лабораторията на Бао повече от две години на развитие, а след това нуклеазата на цинковия пръст успешно ще намали последователността на сърповидните клетки само в около 10 процента от времето.

Друга техника отне още две години и беше само малко по-ефективна. И тогава, през 2013 г., скоро след като CRISPR беше използван за успешно редактиране на гени в живите клетки, д-р. Екипът на Бао отново промени курса.

„От началото до получаването на някои първоначални резултати, CRISPR ни отне около месец“, д-р. Бао каза. Методът успешно отрязва целевата последователност около 60 процента от времето. Беше по-лесно да се направи и по-ефективно. „Беше просто невероятно“, каза той.

Следващото предизвикателство беше да се определят страничните ефекти от процеса. Тоест как CRISPR повлия на гени, които не са били целенасочено насочени? След поредица от експерименти с животни, Dr. Бао беше убеден, че методът ще работи за хората. През 2020 г Администрацията по храните и лекарствата одобри клинично изпитване, водена от д-р. Матю Портеъс и неговата лаборатория в Станфордския университет, това продължава. Освен това има надежда, че с гъвкавостта на CRISPR той може да се използва за лечение на други наследствени заболявания. В същото време други лечения, които не са разчитали на редактиране на гени имаше успех за сърповидна клетка.

д-р Бао и неговата лаборатория все още се опитват да определят всички вторични и третични ефекти от използването на CRISPR. Но д-р Бао е оптимист, че скоро ще бъде достъпно безопасно и ефективно лечение за редактиране на гени за сърповидни клетки. Колко скоро? „Мисля, че още три до пет години“, каза той, усмихвайки се.

кардиология

Трудно е да промениш нечие сърце. И това не е само защото често сме упорити и се забиваме в пътя си. Сърцето генерира нови клетки с много по-бавна скорост от много други органи. Лечения, които са ефективни в други части на човешката анатомия, са много по-трудни за сърцето.

Също така е трудно да се разбере какво има в сърцето на някого. Дори когато секвенирате цял геном, често има редица сегменти, които остават загадъчни за учените и лекарите (наречени варианти с несигурно значение). Пациентът може да има сърдечно заболяване, но няма начин да го обвърже окончателно с гените си. „Вие сте заседнали“, каза д-р. Джоузеф Ву, директор на Станфордския сърдечно-съдов институт. “Така че традиционно просто ще изчакаме и ще кажем на пациента, че не знаем какво се случва.”

Но през последните няколко години д-р. Ву използва CRISPR, за да види какви ефекти има присъствието и отсъствието на тези объркващи последователности върху сърдечните клетки, симулирани в неговата лаборатория с индуцирани плурипотентни стволови клетки, генерирани от кръвта. Изрязвайки определени гени и наблюдавайки ефектите, д-р. Ву и неговите сътрудници успяха нарисувайте връзки между ДНК на отделните пациенти и сърдечни заболявания.

Ще мине много време преди тези заболявания да бъдат лекувани с CRISPR, но диагнозата е първа стъпка. „Мисля, че това ще има голямо влияние по отношение на персонализираната медицина“, каза д-р. Ву, който спомена, че е открил най-малко три варианта с несигурно значение, когато е получил секвенирането на собствения си геном. „Какво означават тези варианти за мен?“

Соргото се използва в хляб, алкохол и зърнени храни по целия свят. Но не е комерсиално проектиран в същата степен като пшеницата или царевицата и, когато е преработен, често не е толкова вкусен.

Карън Масел, биотехнолог от Университета на Куинсланд в Австралия, видя доста място за подобрение, когато за първи път започна да изучава растението през 2015 г. И тъй като милиони хора ядат сорго по целия свят, „ако направите малка промяна, можете да имате огромно въздействие “, каза тя.

Тя и нейните колеги са използвали CRISPR, за да се опитат да направят соргото устойчиво на замръзване, да го направят толерантно към топлина, да удължат периода му на растеж, да променят кореновата му структура – „ние използваме редактиране на гени навсякъде“, каза тя.

Това не само може да доведе до по-вкусни и по-здравословни зърнени храни, но също така може да направи растенията повече устойчиви на променящия се климат, тя каза. Но все още не е малка задача точното редактиране на геномите на културите с CRISPR.

“Половината от гените, които избиваме, просто нямаме представа какво правят.” — каза Масел. „В секундата, когато се опитаме да влезем там и да играем на Бог, осъзнаваме, че сме малко извън нашата дълбочина.“ Но, използвайки CRISPR, комбиниран с по-традиционни техники за развъждане, Dr. Масел е оптимист, въпреки че е самоописан песимист. И тя се надява, че по-нататъшният напредък ще доведе до комерсиализация на генно-редактираните храни, което ще ги направи по-достъпни и по-приемливи.

През 2012 г. 6-годишно момиченце страдаше от остра лимфобластна левкемия. Химиотерапията беше неуспешна, а случаят беше твърде напреднал за трансплантация на костен мозък. Изглежда, че нямаше други възможности и лекарите на момичето казаха на родителите й да се върнат у дома.

Вместо това те отидоха в Детската болница във Филаделфия, където лекарите използваха експериментално лечение, наречено Т-клетъчна терапия с химерен антигенен рецептор (CAR), за да обърнат белите кръвни клетки на момичето срещу рака. десет години по-късно, момичето е без рак.

Оттогава д-р. Карл Джун, професор по медицина в Университета на Пенсилвания, който помогна за разработването на CAR Т-клетъчна терапия, и неговите сътрудници, включително д-р. Ed Stadtmauer, хематолог-онколог в Penn Medicine, работи за подобряването му. Това включва използването на CRISPR, който е най-простият и точен инструмент за редактиране на Т-клетки извън тялото. д-р Stadtmauer, който е специализиран в справянето с различни видове рак на кръвта и лимфната система, каза, че „последното десетилетие току-що е революция в лечението на тези заболявания; беше възнаграждаващо и вълнуващо.”

През последните няколко години, Dr. Щатмауер помогна за провеждането на a клинично изпитване в който Т-клетки, които са претърпели значително редактиране на CRISPR, са били вкарани в пациенти с резистентни на лечение ракови заболявания. Резултатите бяха обещаващи.

„Пациентите, които имаха много мрачни прогнози, сега се справят много по-добре, а някои се лекуват“, д-р. – каза Щатмауер. Той продължи да наблюдава пациентите и установи, че редактираните Т-клетки все още присъстват в кръвта, готови да атакуват туморните клетки в случай на рецидив.

Истинската полза е, че учените вече знаят, че са възможни лечения с помощта на CRISPR.

„Въпреки че това наистина е нещо като научна фантастика, биохимия и наука, реалността е, че областта се е раздвижила неимоверно“, д-р. – каза Щатмауер. Той добави, че е по-малко развълнуван от науката, отколкото колко полезен е станал CRISPR. „Всеки ден виждам може би 15 пациенти, които се нуждаят от мен“, каза той. — Това ме мотивира.