Странные фрагменты ДНК снова всплыли, когда ученые обратились к изучению бактерий. В начале 2000-х уже ни у кого не оставалось сомнений, что эти фрагменты неким способом связаны с иммунной системой бактерий. К этому моменту любопытное явление обзавелось названием: CRISPR – clustered regularly interspaced short palindromic repeats, то есть «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами». Из названия не вполне ясно, что они, собственно, делают, и это яркий пример того, что ученые, выбирая названия, в последнюю очередь думают о маркетинге или коммуникации.
Второй крупный игрок среди микроорганизмов – вирус. Слыша это слово, мы вспоминаем раздражающую простуду, птичий грипп и лихорадку Эбола. Но в действительности подавляющая часть вирусов нападает не на нас и даже не на других животных. Их цель – бактерии. Там, где есть бактерии, – иными словами, везде, – есть и атакующие их вирусы. По некоторым подсчетам, количество вирусов превышает общее число всех прочих организмов, включая бактерии.
Вирус распространяется хитроумным и довольно злонамеренным способом. Он представляет собой маленькую капсулу, он не может размножаться самостоятельно
[89]. Вирус атакует клетку – к примеру, беднягу бактерию – подобно боевому самолету. Он приземляется на поверхность клетки, затем буравит отверстия в ее оболочке и выпускает внутрь свое содержимое, в том числе геном. Геном, плавая в клетке, захватывает ее внутренние механизмы и заставляет их производить новые копии вируса, которые выходят из клетки и находят новых жертв. Таким образом процесс повторяется снова и снова.
Получается нечто среднее между кукушонком и свихнувшимся ксероксом. Иногда геном вируса находит подходящий геном бактерии. Разрезает его, встраивается внутрь и благополучно располагается там надолго.
Но бактерии отнюдь не безропотны. Многие из них обзавелись специальным защитным противовирусным оружием
[90]. И странные фрагменты CRISPR имеют к этому прямое отношение.
Следующий прорыв совершился в стакане йогурта. Предприятия, которые производили кефир, сыр и прочие продукты, получающиеся из молока под воздействием бактерий, часто сталкивались с тем, что вирус побеждает молочнокислые бактерии и пищевые продукты портятся. Но исследователи компании Danisco обнаружили, что бактерии, в геноме которых присутствует большое число фрагментов CRISPR, защищены лучше. Ученые пришли к выводу, что эти составляющие ДНК являются своеобразной справочной библиотекой: бактерии собирают и сохраняют малые части генома разных вирусов для того, чтобы, сравнив с ними актуальную инфекцию, правильно выстроить защиту.
Вскоре ученые поняли, как именно бактерии используют фрагменты CRISPR в борьбе с вирусом. Оказалось, что существует фермент, который получает инструкцию из библиотеки CRISPR и отправляется в плавание по клетке. Он находит проникший в нее вирус, вгрызается в него и разрушает геном вируса, подобно целенаправленным ножницам. Именно поэтому система и получила название «генетические ножницы».
Часто система CRISPR работает как система самоуничтожения внутри бактерии, убивающая и вирус, и бактерию, иногда ножницы действуют точно и красиво, а иногда молекула ДНК захватывается и разрушается полностью
[91].
Все это могло бы оставаться очередной интересной и слегка странной биологической функцией, еще одним увлекательным примером борьбы различных микроорганизмов. Но осенью 2012 г. Дженнифер Даудна из Калифорнийского университета в Беркли и Эмманюэль Шарпантье, которая на тот момент занималась исследованиями в Университете Умео (Швеция), доказали, что из множества различных систем CRISPR можно создать элегантный инструмент для практического применения.
Есть много вариантов CRISPR-систем, но тот, который совершил мировую революцию, называется Cas9, или в полной форме CRISPR-Cas9. Cas – это CRISPR associated, здесь подразумевается фермент, ассоциированный с CRISPR, а цифра 9 определяет тип Cas-фермента. CRISPR-Cas9 довольно неудобное название, но мы постепенно к нему привыкаем. Наверняка когда-то людям тоже казалось, что можно сломать язык, произнося «рентгеновское излучение» или «пенициллин».
* * *
Годом ранее Дженнифер Даудна и Эмманюэль Шарпантье познакомились на научной конференции, после чего начали работать вместе. Дженнифер изучала бактерии с особо большим числом фрагментов CRISPR, а Эмманюэль внесла значительный вклад в разработку принципов действия CRISPR. Даудна, как она часто упоминает в интервью, полагала, что этот проект будет наименее ярким в ее научной карьере, но именно он стал главным достижением. Даудна и Шарпантье первыми доказали, что с помощью системы CRISPR можно изменять гены бактерий
[92]. Их метод генетической модификации был проще, дешевле и гораздо тоньше и точнее, чем несколько прежних. Они открыли принципиально новый научный мир.
«Этим подходом может пользоваться любой исследователь, знакомый с основами молекулярной биологии и умеющий работать с клетками», – пишет Дженнифер Даудна в своей книге Sprickan i skapelsen
[93], опубликованной в 2017 г.
[94]
Открытие Даудны и Шарпантье начинают сравнивать с революцией антибиотиков Александра Флеминга, это абсолютно новый способ использования биологической системы. В течение пары месяцев после публикации первых результатов их опытов вышли статьи и других исследователей. В 2013 г. Чжан Фэн из Массачусетского технологического института и Джордж Черч из Гарварда впервые доказали, что CRISPR-Cas9 работает в клетках животных и человека. Литовский биохимик Виргиниюс Шикшнис нашел решение практически одновременно с Даудной и Шарпантье. Многие ученые внесли свою лепту, сделав один или несколько шагов на той дороге, что привела нас в стремительно развивающееся настоящее. Речь идет о сотнях заявок на изобретения, сотнях патентов и тысячах экспериментов. Множество лабораторий активно изучают другие системы CRISPR в бактериях с целью найти в их защитных системах еще более эффективный инструментарий. Механизм использования системы CRISPR можно схематично описать так (см. рис. ниже).
