Три передовых метода — инструмент редактирования генома CRISPR, флуорисцентные белки и оптогенетика — были вдохновлены природой. В течение миллионов лет эти биомолекулярные инструменты использовали бактерии, медузы и водоросли. А теперь они применяются в медицине и биологических исследованиях.
Расскажем о трех инновационных методах, которые ученые позаимствовали у природы.
Инструмент редактирования генома CRISPR
Бактерии и вирусы ведут непрерывную биохимическую войну, сражаясь за ограниченные ресурсы. Одно из оружий в арсенале бактерий — система CRISPR-Cas.
CRISPR-Cas — это генетическая библиотека, состоящая из коротких фрагментов ДНК, собранных от враждебных вирусов. Их дополняет белок под названием Cas, способный отрезать вирусную ДНК, подобно ножницам. Если бактерию атакует вирус, ДНК которого хранится в архиве CRISPR, система CRISPR-Cas выслеживает, отрезает и уничтожает его.
Ученые решили приспособить это вооружение для своих целей. Так, в 2020 году биохимик Калифорнийского университета в Беркли Дженнифер Даудна и французский микробиолог Эмманюэль Шарпантье получили Нобелевскую премию по химии за применение CRISPR-Cas для редактирования генома.
Проект «Геном человека» предоставил практически полную генетическую последовательность человека и шаблон для других организмов. Однако до изобретения CRISPR-Cas у ученых не было инструментов, чтобы получить доступ к геному живых организмов и отредактировать его.
Раньше эти исследования занимали месяцы и даже годы, а также обходились в сотни тысяч долларов. Но теперь, благодаря CRISPR-Cas, их можно выполнить менее чем за неделю и всего за несколько сотен долларов.
Мутации, возникающие лишь в одном гене, могут вызвать более 10 тысяч генетических нарушений. С этим сталкиваются миллионы людей. К наиболее известным из этих заболеваний относятся:
- серповидноклеточная анемия;
- муковисцидоз;
- болезнь Хантингтона.
Такие заболевания — основная цель для терапии CRISPR, так как гораздо проще исправить или заменить всего один дефектный ген, чем корректировать ошибки в нескольких.
Например, в доклинических исследованиях ученые вводили инкапсулированную CRISPR-систему пациентам, рожденный с редким генетическим заболеванием — транслитерированным амилоидозом, вызывающим нервную и сердечную недостаточность.
Промежуточные результаты показали: CRISPR-Cas можно вводить напрямую, чтобы находил и редактировал поврежденные гены, вызвавшие заболевание. У шести пациентов, участвовавших в исследовании, инкапсулированные системы CRISPR-Cas достигли целевых генов и справились с задачей. Это значительно снизило число неправильно уложенных белков.
Флуорисцентные белки
У медузы Aequorea victoria, обитающей в северной части Тихого океана, нет мозга, анального отверстия и ядовитых жал. Кажется маловероятным то, что она способна вызвать революцию в сфере биотехнологий. Однако на периферии ее зонтика расположено около 300 фотоорганов, излучающих тончайшие лучи зеленого света — и именно они изменили подход к науке.
Биолюминесцентный свет в медузах исходит от люминесцентного белка (экворин) и флуоресцентной молекулы под названием зеленый флуоресцентный белок (green fluorescent protein, GFP). В современной биотехнологии GFP применяется как молекулярная лампочка, которую можно соединять с другими белками. Это позволяет отслеживать их и узнавать, когда и где создаются белки в клетках живых организмов.
Эта технология ежедневно используется в тысячах лабораторий и даже получила две Нобелевские премии — в 2008 и 2014 годах. Впоследствии флуоресцентные белки были обнаружены и у многих других видов.
Метод также помог ученым создать генетически модифицированные вирусы COVID-19, передающие GFP. Флуоресцентный свет позволяет проследить движение вируса, когда он проникает в респираторную систему и привязывается к поверхности клеток с волосовидными структурами.
Оптогенетика
Если водоросли, которые растут только при солнечном свете, поместить в большой аквариум в затемненном месте, они будут бесцельно перемещаться по пространству. Но если рядом включить источник света, водоросли направляются к нему.
У одноклеточных жгутиконосцов, названных так в честь хлыстовидных отростков, с помощью которых они передвигаются, нет глаз. Их заменяет структура под названием глазное пятно, способное различать свет и тьму. На нем расположены чувствительные к свету белки — каналродорфины.
В начале 2000-х годов исследователи обнаружили: если генетически внедрить каналродорфины в нервные клетки любого организма, то при освещении этих белков синим светом запускаются нейроны. Этот подход известен как оптогенетика.
В рамках метода ген водорослей, вырабатывающий каналродорфин, встраивается в нейроны. Если направить точечный луч синего света на эти нейроны, то каналродорфины раскрываются, а ионы кальция проникают в нейроны, и они запускаются.
С помощью этого инструменты ученые могут выборочно и многократно стимулировать группы нейронов, чтобы разобраться, на какие из них воздействовать при лечении определенных расстройств и заболеваний. Оптогенетика может стать способом лечения разрушительных и смертельных заболеваний мозга, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона.
Однако ее можно применять и в других областях. К примеру, она помогла частично обратить слепоту и дала многообещающие результаты в клинических испытаниях на пациентах с пигментным ретинитом — группой генетических нарушений, разрушающий клетки сетчатки. А в исследованиях на мышах оптогенетика использовалась, чтобы управлять сердцебиением и регулировать стул мышей, страдающих запором.
