Jennifer Doudna ja Emmanuelle Charpentier jakavat vuoden 2020 kemian Nobel-palkinnon mullistavan geeninmuokkaustekniikan keksimisestä.Luotto: Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
Se on CRISPR. Kaksi vallankumouksellisen geeninmuokkaustekniikan uranuurtajaa ovat tämänvuotisen kemian Nobel-palkinnon saajat.
Nobel-komitean valinta Emmanuelle Charpentierille, joka työskentelee nykyään Max Planckin taudinaiheuttajatutkimusyksikössä Berliinissä, ja Jennifer Doudnalle, joka työskentelee Kalifornian yliopistossa Berkeleyssa, lopettaa vuosia jatkuneet spekulaatiot siitä, kuka saisi tunnustuksen CRISPR-Cas9-geeninmuokkaustyökaluja kehittäneestä työstään. Teknologia mahdollistaa genomin tarkan muokkaamisen, ja se on valloittanut laboratorioita ympäri maailmaa sen jälkeen, kun se otettiin käyttöön 2010-luvulla. Sillä on lukemattomia sovelluksia: tutkijat toivovat voivansa muuttaa sillä ihmisen geenejä sairauksien poistamiseksi, luoda kestävämpiä kasveja, hävittää taudinaiheuttajia ja paljon muuta.
”Kyky leikata DNA:ta sinne, minne haluaa, on mullistanut biotieteet”, sanoi biofysikaalinen kemisti ja kemian Nobel-komitean jäsen Pernilla Wittung Stafshede palkinnon julkistamistilaisuudessa. ”Geneettiset sakset” löydettiin vasta kahdeksan vuotta sitten, mutta ne ovat jo nyt hyödyttäneet ihmiskuntaa suuresti.”
Doudna ja Charpentier kollegoineen tekivät ratkaisevaa alkuvaiheen työtä järjestelmän luonnehtimiseksi, mutta useita muitakin tutkijoita on mainittu – ja tunnustettu muissa korkeatasoisissa palkinnoissa – tärkeinä tekijöinä CRISPR:n kehittämisessä. Heihin kuuluvat Feng Zhang MIT:n ja Harvardin Broad-instituutissa Cambridgessa, Massachusettsissa, George Church Harvardin lääketieteellisessä tiedekunnassa Bostonissa, Massachusettsissa, ja biokemisti Virginijus Siksnys Vilnan yliopistossa Liettuassa (ks. ”CRISPR:n monet edelläkävijät”).
Doudna ”nukkui syvään uneen”, kun puhelimensa surina herätti hänet, ja hän otti vastaan puhelun Nature-tiedelehden toimittajalta, joka kertoi uutisen. ”Kasvoin pienessä kaupungissa Havaijilla, enkä olisi ikinä sadan miljoonan vuoden aikana voinut kuvitella, että näin tapahtuu”, Doudna sanoo. ”Olen todella tyrmistynyt, olen täysin shokissa.”
”Tunnen niin monia ihania tiedemiehiä, jotka eivät koskaan saa tätä palkintoa syistä, joilla ei ole mitään tekemistä sen kanssa, että he ovat ihania tiedemiehiä”, Doudna sanoo. ”Olen todella nöyrä.”
Syntynyt bakteereista
CRISPR, joka on lyhenne sanoista clustered regularly interspaced short palindromic repeats (klusteroidut säännöllisesti väliin sijoittuvat lyhyet palindromiset toistot), on mikrobien ”immuunijärjestelmä”, jota prokaryootit – bakteerit ja arkeologiset eliölajeihin kuuluvat eläimet – käyttävät estääkseen faageiksi kutsuttujen virusten aiheuttaman infektion. Ytimeltään CRISPR-järjestelmä antaa prokaryooteille kyvyn tunnistaa täsmällisiä geneettisiä sekvenssejä, jotka sopivat faagiin tai muihin hyökkääjiin, ja kohdistaa nämä sekvenssit tuhottaviksi erikoistuneiden entsyymien avulla.
Edellisessä työssä oli tunnistettu nämä entsyymit, jotka tunnetaan nimellä CRISPR-assosioituneet proteiinit (Cas), mukaan luettuna yksi nimeltä Cas9. Mutta Charpentier, joka työskenteli ensin Wienin yliopistossa ja myöhemmin Uumajan mikrobitutkimuskeskuksessa Ruotsissa, tunnisti CRISPR-järjestelmän toisen keskeisen komponentin, RNA-molekyylin, joka osallistuu faagisekvenssien tunnistamiseen, Streptococcus pyogenes -bakteerissa, joka voi aiheuttaa tauteja ihmisissä.
Charpentier raportoi löydöstä vuonna 2011, ja samana vuonna hän ryhtyi yhteistyöhön Doudnan kanssa. Vuonna 2012 Science-lehdessä julkaistussa uraauurtavassa artikkelissa1 kaksikko eristi CRISPR-Cas9-järjestelmän komponentit, muokkasi ne koeputkessa toimiviksi ja osoitti, että järjestelmä voitiin ohjelmoida leikkaamaan tiettyjä kohtia eristetyssä DNA:ssa. Heidän ohjelmoitava geeninmuokkausjärjestelmänsä on synnyttänyt lukemattomien sovellusten kultakuumeen lääketieteessä, maataloudessa ja perustieteissä, ja työtä jatketaan CRISPR:n virittämiseksi ja parantamiseksi sekä muiden geeninmuokkaustyökalujen löytämiseksi.
”Toivoimme, että voisimme todella muuttaa tämän teknologiaksi, jonka avulla voitaisiin kirjoittaa uudelleen solujen ja organismien geneettistä koodia”, sanoo Martin Jinek, Zürichin yliopiston biokemisti, joka työskenteli post doc -tutkijana Doudnan laboratoriossa ja joka on yksi keskeisen Science-julkaisun ensimmäisistä tekijöistä. ”Emme osanneet oikein arvostaa sitä, miten nopeasti muut alan toimijat ottaisivat teknologian käyttöönsä ja veisivät sitä eteenpäin.”
CRISPR:n monet pioneerit
Ei olisi CRISPR:ää ilman Francisco Mojicaa. Alicanten yliopistossa Espanjassa työskentelevä mikrobiologi auttoi antamaan järjestelmälle sen nimen. Vuonna 1993 Mojica tunnisti Haloferax-arkeonin genomissa erikoisia toistuvia DNA-sekvenssejä. Myöhemmin hän osoitti, että samankaltaiset sekvenssit olivat laajalle levinneet prokaryooteissa ja vastasivat geneettistä materiaalia faageissa, bakteereja infektoivissa viruksissa.
Vuonna 2005 Mojica esitti hypoteesin, että nämä sekvenssit olivat osa mikrobien immuunijärjestelmää. Ruud Jansenin kanssa Utrechtin yliopistossa Alankomaissa Mojica keksi nyt Nobel-palkitun lyhenteen: CRISPR, joka on lyhenne sanoista clustered regularly interspaced short palindromic repeats. CRISPR-työstään Mojica jakoi 500 000 Yhdysvaltain dollarin Albany Medical Centerin lääkepalkinnon vuonna 2017 Charpentierin, Doudnan, Feng Zhangin ja Luciano Marraffinin kanssa New Yorkissa sijaitsevassa Rockefeller-yliopistossa.
Doudna ja Charpentier eivät olleet ainoita tiedemiehiä, jotka tajusivat, että CRISPR-järjestelmä voidaan ohjelmoida leikkaamaan muitakin DNA:n osia. Vuonna 2012 – samoihin aikoihin, kun kaksikko julkaisi kokeensa, jotka osoittivat, että CRISPR-Cas9-järjestelmä voi leikata eristettyä DNA:ta – liettualaisessa Vilnan yliopistossa toimivan biokemisti Virginijus Šikšnysin johtama ryhmä osoitti, miten Cas9-entsyymiä voidaan ohjeistaa leikkaamaan ennalta määriteltyjä DNA-jaksoja. Vuonna 2018 Šikšnys jakoi nanotieteen Kavli-palkinnon Doudnan ja Charpentierin kanssa.
Nobel-komitean päätös olla ottamatta Zhangia mukaan oli yksi suurimmista yllätyksistä. Geneetikko on yleisesti nimetty Charpentierin ja Doudnan kanssa kolmikoksi, joka todennäköisimmin saa Nobel-palkinnon CRISPR:stä. Zhangin työryhmä muokkasi alkuvuodesta 2013 Science-julkaisussaan CRISPR-Cas9-järjestelmää niin, että se pystyy tekemään tarkkoja perimän leikkauksia ihmis- ja hiirisoluissa. Churchin ryhmä kuvasi samoihin aikoihin työnsä ihmisen DNA:n leikkaamiseksi soluissa.
Jin-Soo Kim, Etelä-Korean Daejeonissa sijaitsevan Institute for Basic Science -instituutin genomitekniikan insinööri, joka on yksi ensimmäisistä, joka on mukauttanut CRISPR:ää perimän muokkaamiseen erilaisissa soluissa, sanoo, että vaikka hän on innoissaan Nobel-palkintoilmoituksesta, hän oli yllättynyt siitä, että Salt Lake Cityssä sijaitsevassa Utahin yliopistossa työskentelevä biokemisti Dana Carroll jätettiin huomiotta. Carroll kehitti keinoja käyttää muita entsyymejä, sinkkisormi-nukleaaseja, genomien muokkaamiseen jo paljon ennen CRISPR:ää.
Vaikka CRISPR on helpompi käyttää kuin sinkkisormi-nukleaasit, Kim sanoo pitävänsä Carrollia genominmuokkausalan perustajana. ”Doudna ja Charpentier ansaitsevat epäilemättä tunnustuksen”, hän sanoo. ” Mutta ilman sinkkisormi-nukleaasien avulla tapahtuvan genomin muokkauksen demonstrointia ei moni olisi voinut kuvitella CRISPR-Cas9:n käyttöä genomin muokkaukseen.”
Kilpailu kaupallistamisesta
Vähemmässä kuin vuosikymmenessä tutkijat ovat käyttäneet CRISPR-Cas9:ää kehitelläkseen genomimuokattuja viljelykasveja, hyönteisiä, geneettisiä malleja ja kokeellisia ihmishoitoja. Parhaillaan tehdään kliinisiä kokeita tekniikan käytöstä sirppisoluanemian, perinnöllisen sokeuden ja syövän hoitoon. Doudna, Charpentier ja muut alan toimijat ovat käynnistäneet biotekniikkayritysten sukupolven, jonka tarkoituksena on kehittää tekniikkaa näiden tavoitteiden saavuttamiseksi.
Mutta tekniikka on herättänyt myös kiistoja – erityisesti sen alkuvaiheessa olevien sovellusten osalta ihmissoluissa. Marraskuussa 2018 kiinalainen biofyysikko He Jiankui ilmoitti, että kaksostytöt olivat syntyneet alkioista, joita hän ja hänen kollegansa olivat muokanneet CRISPR-Cas9:n avulla. Uutinen herätti paheksuntaa: alkioiden muokkaaminen herättää monia eettisiä, sosiaalisia ja turvallisuuskysymyksiä, ja monet tutkijat ympäri maailmaa tuomitsivat nopeasti He:n työn.
Syyskuussa johtavien yhdysvaltalaisten ja brittiläisten tiedeyhteisöjen koolle kutsuma kansainvälinen paneeli totesi jälleen, että teknologia ei ole valmis käytettäväksi ihmisalkioissa, jotka on tarkoitettu istutettaviksi.
Työ herätti myös kiivaan patenttitaistelun – lähinnä Broad-instituutin ja Kalifornian yliopiston Berkeleyn välillä – joka rymistelee vielä tänäkin päivänä siitä, kuka omistaa CRISPR-Cas9-geeninmuokkauksen tuottoisat teollis- ja tekijänoikeudet.
Siltikin Church on samaa mieltä siitä, miten palkinto jaettiin. Vaikka hän on ylpeä omassa laboratoriossaan ja Zhangin laboratoriossa tehdystä työstä – jossa järjestelmä mukautettiin toimimaan nisäkässoluissa, mikä avasi oven ihmissairauksien mallintamiselle ja mahdolliselle hoidolle – Church sanoo, että tämä työ voitaisiin luokitella pikemminkin insinöörityöksi ja keksinnöksi kuin tieteelliseksi keksinnöksi. ”Minusta se on loistava valinta”, hän sanoo.
Palkinnon saajaksi on aina vaikea valita keksintöä, sanoo Francis Collins, geneetikko ja Yhdysvaltain kansallisten terveysinstituuttien johtaja Bethesdassa, Marylandissa. ”Käytännössä mikään ei tule tyhjästä”, hän sanoo. ”Kaikkia löytöjä tarkasteltaessa on vaikea päättää, kuka valitaan.”
Mutta yksi CRISPR-Cas9-genomimuokkauksen ainutlaatuinen piirre on ollut tekniikan helppous ja monipuolisuus, hän lisää. ”CRISPR-Cas teki tästä niin paljon helpommin hyväksyttävää”, Collins sanoo. ”Tiedossani ei ole yhtään molekyylibiologian laboratoriota, joka ei olisi alkanut työskennellä CRISPR-Casilla.”