Jennifer Doudna a Emmanuelle Charpentier se dělí o Nobelovu cenu za chemii pro rok 2020 za objev převratné techniky genové editace.Kredit: Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
Je to CRISPR. Letošními laureáty Nobelovy ceny za chemii se stali dva vědci, kteří se stali průkopníky revoluční technologie editace genů.
Nobelův výbor vybral Emmanuelle Charpentierovou, která nyní působí v berlínské Jednotce Maxe Plancka pro vědu o patogenech, a Jennifer Doudnovou z Kalifornské univerzity v Berkeley a ukončil tak dlouholeté spekulace o tom, kdo bude oceněn za jejich práci na vývoji nástrojů pro úpravu genů CRISPR-Cas9. Tato technologie umožňuje přesné úpravy genomu a od svého vzniku v roce 2010 prošla laboratořemi po celém světě. Má nesčetné možnosti využití: vědci doufají, že s její pomocí budou moci měnit lidské geny, aby odstranili nemoci; vytvářet odolnější rostliny; likvidovat patogeny a další.
„Schopnost stříhat DNA tam, kde chcete, způsobila revoluci ve vědách o živé přírodě,“ řekla při vyhlašování ceny Pernilla Wittung Stafshede, biofyzikální chemička a členka Nobelova výboru pro chemii. „Genetické nůžky“ byly objeveny teprve před osmi lety, ale lidstvu už přinesly velký užitek.“
Doudna a Charpentier a jejich kolegové odvedli rozhodující práci na počátku charakterizování systému, ale několik dalších výzkumníků bylo citováno – a oceněno v jiných významných oceněních – jako klíčoví přispěvatelé k vývoji CRISPR. Patří mezi ně Feng Zhang z Broad Institute of MIT and Harvard v Cambridge ve státě Massachusetts, George Church z Harvard Medical School v Bostonu ve státě Massachusetts a biochemik Virginijus Siksnys z Vilnius University v Litvě (viz „CRISPR’s many pioneers“).
Doudna „opravdu tvrdě spala“, když ji probudil bzučící telefon a ona přijala hovor od reportéra časopisu Nature, který jí tuto zprávu sdělil. „Vyrostla jsem v malém městě na Havaji a ani za 100 milionů let by mě nenapadlo, že se něco takového stane,“ říká Doudna. „Jsem opravdu ohromená, jsem úplně v šoku.“
„Znám tolik skvělých vědců, kteří to nikdy nedostanou, a to z důvodů, které nemají nic společného s tím, že jsou skvělí vědci,“ říká Doudna. „Jsem opravdu tak trochu pokořený.“
Zrodil se z bakterií
CRISPR, zkratka pro clustered regularly interspaced short palindromic repeats, je mikrobiální „imunitní systém“, který prokaryota – bakterie a archea – používají k prevenci infekce viry zvanými fágy. Podstatou systému CRISPR je schopnost prokaryot rozpoznat přesné genetické sekvence, které odpovídají fágu nebo jiným útočníkům, a zacílit tyto sekvence ke zničení pomocí specializovaných enzymů.
Předchozí práce identifikovaly tyto enzymy, známé jako CRISPR-asociované proteiny (Cas), včetně jednoho s názvem Cas9. Ale Charpentier, který pracoval nejprve na Vídeňské univerzitě a později v Centru pro mikrobiální výzkum v Umeå ve Švédsku, identifikoval další klíčovou součást systému CRISPR, molekulu RNA, která se podílí na rozpoznávání fágových sekvencí, u bakterie Streptococcus pyogenes, která může způsobovat onemocnění u lidí.
Charpentier o tomto objevu informoval v roce 2011 a v témže roce navázal spolupráci s Doudnou. V přelomovém článku v časopise Science1 z roku 2012 tato dvojice izolovala součásti systému CRISPR-Cas9, přizpůsobila je fungování ve zkumavce a ukázala, že systém lze naprogramovat tak, aby řezal specifická místa v izolované DNA. Jejich programovatelný systém editace genů inspiroval zlatou horečku nesčetných aplikací v medicíně, zemědělství a základní vědě – a práce na vylepšování a zdokonalování CRISPR a na identifikaci dalších nástrojů pro editaci genů pokračují.
„Doufali jsme, že se nám to skutečně podaří převést do technologie pro přepisování genetického kódu buněk a organismů,“ říká Martin Jinek, biochemik z Curyšské univerzity, který byl postdoktorandem v Doudnově laboratoři a spoluautorem klíčového článku v Science. „Nedocenili jsme však, jak rychle si tuto technologii osvojí další pracovníci v oboru a budou ji prosazovat.“
Mnoho průkopníků CRISPR
Bez Francisca Mojicy by nebylo CRISPR. Tento mikrobiolog působící na univerzitě ve španělském Alicante pomohl dát systému jeho jméno. V roce 1993 Mojica identifikoval zvláštní repetitivní sekvence DNA v genomu archeonu Haloferax. Později ukázal, že podobné sekvence jsou rozšířené u prokaryot a shodují se s genetickým materiálem ve fázích, virech, které infikují bakterie.
V roce 2005 Mojica vyslovil hypotézu, že tyto sekvence jsou součástí mikrobiálního imunitního systému. Společně s Ruudem Jansenem z Utrechtské univerzity v Nizozemsku přišel Mojica s nyní Nobelovou cenou oceněnou zkratkou: CRISPR, zkratka pro clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Za svou práci na CRISPRu se Mojica v roce 2017 podělil s Charpentierem, Doudnou, Fengem Zhangem a Lucianem Marrafinim z Rockefellerovy univerzity v New Yorku o cenu za medicínu ve výši 500 000 USD.
Doudna a Charpentier nebyli jediní vědci, kteří si uvědomili, že systém CRISPR lze naprogramovat tak, aby stříhal další části DNA. V roce 2012 – přibližně v době, kdy dvojice publikovala své experimenty ukazující, že systém CRISPR-Cas9 může řezat izolovanou DNA – tým vedený biochemikem Virginijusem Šikšnysem z Vilniuské univerzity v Litvě ukázal, jak lze enzym Cas9 instruovat, aby řezal předem definované sekvence DNA. V roce 2018 se Šikšnys podělil s Doudnou a Charpentierem o Kavliho cenu za nanovědu.
Jedním z největších překvapení bylo rozhodnutí Nobelova výboru nezařadit Zhanga. Tento genetik byl společně s Charpentierem a Doudnou běžně označován za trojici, která má největší šanci získat Nobelovu cenu za CRISPR. Zhangův tým v článku v časopise Science z počátku roku 2013 upravil systém CRISPR-Cas9 tak, aby mohl provádět přesné řezy genomu v lidských a myších buňkách. Churchův tým popsal práci na řezání DNA lidských buněk přibližně ve stejné době.
Jin-Soo Kim, genomový inženýr z Institutu pro základní vědu v jihokorejském Daejeonu, který jako jeden z prvních přizpůsobil CRISPR pro editaci genomu v různých buňkách, říká, že ačkoli je z vyhlášení Nobelovy ceny nadšený, překvapilo ho, že biochemička Dana Carroll z Univerzity v Utahu v Salt Lake City byla přehlédnuta. Carrollová vyvinula způsoby nasazení jiných enzymů, tzv. nukleáz se zinkovými prsty, k úpravě genomů, a to mnohem dříve než CRISPR.
Ačkoli je použití CRISPR jednodušší než použití nukleáz se zinkovými prsty, Kim říká, že Carrolla považuje za zakladatele oboru editace genomů. „Není pochyb o tom, že Doudna a Charpentier si zaslouží uznání,“ říká. “ Ale bez demonstrace editace genomu pomocí zinkoprstových nukleáz by si málokdo dokázal představit využití CRISPR-Cas9 pro editaci genomu.“
Závod o komercializaci
Za necelých deset let vědci použili CRISPR-Cas9 k vývoji plodin, hmyzu, genetických modelů a experimentálních lidských terapií upravených genomem. V současné době probíhají klinické testy s cílem využít tuto techniku k léčbě srpkovité anémie, dědičné slepoty a rakoviny. Doudna, Charpentier a další odborníci v této oblasti zahájili vznik biotechnologických společností, jejichž cílem je vyvinout tuto techniku k dosažení těchto cílů.
Technologie však vyvolala i kontroverze – zejména kvůli jejím začínajícím aplikacím v lidských buňkách. V listopadu 2018 čínský biofyzik He Jiankui oznámil, že se z embryí, která on a jeho kolegové upravili pomocí CRISPR-Cas9, narodila dvojčata. Tato zpráva vyvolala pobouření: editace embryí vyvolává řadu etických, sociálních a bezpečnostních problémů a mnoho vědců po celém světě Heovu práci rychle odsoudilo.
V září mezinárodní panel svolaný předními americkými a britskými vědeckými společnostmi opět dospěl k závěru, že tato technologie není připravena k použití u lidských embryí, která jsou určena k implantaci.
Práce také vyvolala tvrdou patentovou bitvu – hlavně mezi Broad Institute a Kalifornskou univerzitou v Berkeley -, která dodnes doutná o to, komu patří lukrativní práva na duševní vlastnictví k úpravě genomu pomocí CRISPR-Cas9.
Curch přesto souhlasí s tím, jak byla cena rozdělena. Přestože je hrdý na práci ve své a Zhangově laboratoři – které systém upravily tak, aby fungoval v savčích buňkách, čímž se otevřely dveře k modelování a potenciální léčbě lidských onemocnění – Church říká, že tuto práci lze klasifikovat spíše jako inženýrství a vynálezy než jako vědecký objev. „Myslím, že je to skvělá volba,“ říká.“
Vždy je těžké vyzdvihnout nějaký objev, za který se uděluje cena, říká Francis Collins, genetik a šéf amerického Národního ústavu zdraví v Bethesdě ve státě Maryland. „Prakticky nic nepřichází z ničeho nic,“ říká. „Při pohledu na jakýkoli objev je těžké rozhodnout, koho vybrat.“
Jedním z jedinečných aspektů editace genomu pomocí CRISPR-Cas9 však byla snadnost a univerzálnost této techniky, dodává. „Díky CRISPR-Cas to bylo mnohem snadněji přijatelné,“ říká Collins. „Nevím o žádné laboratoři molekulární biologie, která by nezačala pracovat s CRISPR-Cas.“
.