Химический Нобель 2020, или генетические ножницы

В среду, 7 октября 2020 года, мы узнали о решении Шведской королевской академии наук о присуждении Нобелевской премии по химии. Уже 112 раз в истории награждались две победительницы: Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна. На этот раз должны были быть распределены 10 миллионов шведских крон, а в отдельных дипломах говорилось, что награда присуждена за разработку метода редактирования генома.

— Опять таки биохимия — наверное, многие «классические» химики вздохнут. Это правда, но награда относится к награде 2016 года, присужденной за дизайн i синтез молекулярных машин. Как вы прочтете далее в статье, химии будет довольно много, и она будет намного сложнее и увлекательнее, чем вы обычно видите в пробирке. Химическая Нобелевская премия 2020 однако у нее есть еще одна героиня, которую упомянули не все СМИ. Помимо награжденных лауреатов, это…

…Стрептококки пиогенные…

1.- третья героиня Нобелевской премии по химии 2020 г.

… бактерия рода стрептококков, часто в виде клеток, связанных между собой наподобие нити бус. Однозначно неприятный человек, польское имя — гнойный стрептококк — хорошо отражает его особенности. Микроорганизм вызывает ряд заболеваний, таких как ангина, рожа, скарлатина, различные виды воспалений, некроз тканей и сепсис. Бактерия обитает в окружающей среде человека и в организме человека. К счастью, он чувствителен к обычным дезинфицирующим средствам и стандартным антибиотикам. Его широкое присутствие означает, что его часто тестируют в лабораториях (1).

И бактерии болеют

У каждого, даже самого опасного организма, есть свой враг. Патогенные бактерии не являются исключением. Их преследователи — создания еще меньших размеров — bakteriofagi, или вирусы, атакующие бактерии (буквально «пожиратели бактерий»). Механизм заражения не сложен. вирус представляет собой генетический материал (ДНК или РНК), заключенный в белковую оболочку, называемую капсидом. По внешнему виду он часто выглядит как промышленный предмет, но форма продиктована адаптацией к тому, как он работает. Вирус прилипает к стенке аккумуляторной батареи, протыкает ее и внедряет внутрь только свою нуклеиновая кислота. Генетический материал вируса использует содержащиеся в клетке механизмы репликации для размножения своих копий (генетический материал и белковые оболочки). Когда клетка наполняется новыми вирусами, она разрушается, а освободившиеся бактериофаги снова выходят на охоту. Тот же механизм работает для вирусов, поражающих растения и животных, в том числе человека (2).

2. Вирусы атакуют бактериальную клетку. Изображение выполнено с использованием просвечивающего электронного микроскопа, увеличение около 200 тысяч. раз (Wikimedia Commons/Webridge)

Клетки но они не беззащитны, иначе вирусы давно бы вымерли. Они могут или РНК и уничтожить ее, прежде чем она причинит вред. Это давно известно. Новинкой стало открытие, сделанное в 1987 году японским микробиологом. Йошизуми Ишино. Оказалось, что в геноме кишечной палочки (coli), обычно обитающей в нашем кишечнике, через равные промежутки времени присутствуют повторяющиеся последовательности генетического материала. Однако наиболее интересными были фрагменты, которые их разделяли.

В 2005 г. (тем временем аналогичные последовательности были обнаружены и у других бактерий) они были идентифицированы как исходящие от вирусов, обычно поражающих клетки этих бактерий. Таким образом, подтвердились высказанные с самого начала предположения: это некая «база данных сигнатур вирусов», используемая для распознавания и уничтожения бактериофагов (ассоциация с программами защиты компьютеров совершенно уместна). Бактериальная иммунная система получила название CRISPR. Это слово является акронимом для сгруппированных, регулярно разбросанных, коротких, повторяющихся палиндромных последовательностей (повторяющиеся фрагменты, записанные буквами генетического кода, являются палиндромами, например, AGTTGA). Тем не менее, ничего не было известно о функционировании системы.

Они работают вместе: белок …

3. Дженнифер А. Дудна (© Nobel Media, Ill. Niklas Elmehed)

Вскоре она услышала об открытии системы CRISPR. Дженифер Дудна (3). Ее профессиональные интересы включали вмешательство РНК, т. е. явление выключения работы генов малыми молекулами РНК со структурой, сходной со структурой данного гена. В то же время был открыт сегмент CRISPR «всегда рядом». генерал имени Каса (сокращение от CRISPR-ассоциированный, т.е. связанный с CRISPR).

Дудна заметил, что этот ген очень похож на гены, кодирующие белки, способные расширяться и делиться на фрагменты ДНК. В ходе нескольких лет исследований ее команды выяснилось, что система CRISPR/Cas (как она была названа) бывает двух классов с множеством типов. Системы класса 1 содержат много белков Cas, в то время как системы класса 2 намного проще и требуют для функционирования только одного белка. Каким образом система распознает противника, до сих пор оставалось загадкой.

… И РНК

4. Эммануэль Шарпантье (© Nobel Media, Ill. Niklas Elmehed)

Эммануэль Шарпантье (4) также интересовался механизмом регуляции генов с помощью РНК. В ходе своих исследований она проанализировала структуру малой молекулы РНК, обнаруженной в большом количестве у вышеупомянутой третьей героини — бактерии. Ей стало интересно, что структура молекулы очень похожа на строительные блоки CRISPR в геноме. Исследования лауреата доказали, что обнаруженная молекула является недостающим элементом системы CRISPR/Cas и отвечает за распознавание фрагмента вирусной ДНК, который необходимо вырезать. Молекула была названа трансРНК, из или активирующий CRISPR (фрагмент ДНК, который его кодирует, находится дальше от активированного — следовательно, транс, если бы он был рядом, слово цис было бы префиксом).

Лауреаты

Эммануэль Мари Шарпантье (род. 1968, Жювизи-сюр-Орж, Франция) — микробиолог, генетик и биохимик. Он возглавляет научно-исследовательский институт инфекционных агентов Общества Макса Планка (Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie) в Берлине. Ее жизненным девизом являются слова Луи Пастера:

Дженнифер Энн Дудна (родился в 1964 году в Вашингтоне) — биохимик и молекулярный биолог. Он работает в Калифорнийском университете в Беркли.

5. Работа системы CRISPR/Cas9 у стрептококков (© Johan Jarnestad/ The Royal Swedish Academy of Sciences)

Система CRISPR/Cas9 у наших бактерий он принадлежит к классу 2 и содержит специфический белок Cas9. Если бактерия выживает после атаки вируса, она интегрирует фрагмент своей ДНК в область CRISPR своего генома (шаг 1 на сопроводительной иллюстрации (5)). На основе полученного рисунка формируются частицы трансРНК (этапы 2 и 3), которые в сочетании с белком Cas9 распознают ДНК вируса, заражающего бактерию. Комплексы циркулируют в цитоплазме бактерий подобно антителам в нашей крови. В случае повторного заражения комплекс прикрепляется к генетическому материалу атакующего (в месте, отмеченном трансРНК) и белок Cas9 разрезает его на фрагменты, как ножницы лентой (шаг 4).

Прорывное сотрудничество

Эммануэль Карпентье объявила о своем открытии в марте 2011 года и вскоре после этого отправилась на научную конференцию в Пуэрто-Рико. Там она познакомилась с другой участницей – Дженифер Дудна. Обе дамы обменялись результатами своего исследования и решили продолжить его вместе. Успех не заставил себя долго ждать.

Вначале они доказали истинность представленного выше механизма действия. антивирусная система. После внесения белка Cas в пробирку с вирусной ДНК ничего не произошло — фермент не разрушил генетический материал. Только добавление соответствующей трансРНК приводило к быстрому разрезанию ДНК на фрагменты (6).

6. Модель белка Cas9, разрезающего цепь ДНК (Wikimedia Commons/Splette, www.scistyle.com)

Но это не останавливаться на достигнутом. Дамы решили использовать обнаруженный механизм для создания определенного инструмента. С этой целью группы ученых синтезировали молекулу трансРНК, в которой паттерн (называемый направляющей РНК) соответствовал выбранному фрагменту молекулы ДНК. После добавления белка Cas9, генетические ножницы (белок, связанный с РНК) разрезают нить генетического материала точно в месте, соответствующем образцу. Не будет преувеличением сказать, что генетика началась…

… новая эра

Результаты исследования были объявлены в 2012 году, и вскоре другие группы ученых сообщили об увлекательном потенциале инструмента. С его помощью можно удалить любой фрагмент генома, а механизмы репарации клетки «латают» образовавшуюся дыру так, чтобы сохранить целостность ДНК. Еще одним достижением является вырезание фрагмента ДНК и вставка другого на его место, что приводит, например, к замене одного гена другим (7).

7. Генетические ножницы позволяют: а) вырезать фрагмент ДНК, механизмы репарации клеток связаны перерезанными нитями; б) вставка другого фрагмента ДНК вместо разреза (© Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences)

Сейчас генетические ножницы стали стандартным инструментом модификации ДНК растений: введения генов, обеспечивающих устойчивость к болезням и вредителям (что позволяет сократить использование средств защиты растений) или облегчения адаптации к климатические условия или повышения фертильности. Гены, ответственные за неблагоприятные свойства урожая и потребительские свойства, также могут быть «выключены», например, генетически модифицированный рис поглощает из почвы меньше тяжелых металлов (8). Аналогичные модификации сделаны для лабораторных животных.

8. Официальная маркировка пищевых продуктов, не содержащих ГМО, используемая в Польше.

Полезность нового инструмента тщательно исследуется в контексте медицинские приложения. Потенциальные возможности огромны. Ножницами можно разрезать ДНК раковых клеток. Таким же образом можно уничтожить и вирусы, поражающие организм. Но самое увлекательное — это способность восстанавливать дефектную ДНК, т. лечение генетических заболеваний.

Однако инструмент может побуждать некоторых «играть в Бога», то есть генетически модифицировать ДНК человека так, чтобы, например, ребенок рождался с характеристиками, «заказанными» клиентом. Поэтому правовое регулирование необходимо, поскольку научные достижения не в первый раз несут в себе потенциальные угрозы. Страхи лучше всего отражают слова Дженнифер Дудни: М

Химики — постарайтесь!

Прошлогодние достижения химиков не встретили признания у редакторов выходящих раз в два месяца «Анналов невероятных исследований» (АИР), а юбилейный, 30-й выпуск Шнобелевской премии не принес им никаких наград. Это повод для радости (все серьезные исследования делают химики) или для печали (награда немного жалкая)? Трудно сказать, тем более, что Марк Абрахамс, издатель AIR, как обычно закончил церемонию награждения следующими словами: