Jennifer Doudna és Emmanuelle Charpentier megosztva kapják a 2020-as kémiai Nobel-díjat egy korszakalkotó génszerkesztési technika felfedezéséért.Credit: Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
A CRISPR. Két tudós, a forradalmi génszerkesztési technológia úttörője az idei kémiai Nobel-díj nyertese.
A Nobel-bizottság Emmanuelle Charpentier, aki jelenleg a berlini Max Planck Unit for the Science of Pathogensnél dolgozik, és Jennifer Doudna, aki a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemen dolgozik, választása véget vet az évek óta tartó találgatásoknak, hogy ki kapja az elismerést a CRISPR-Cas9 génszerkesztő eszközök kifejlesztéséért. A technológia lehetővé teszi a genom pontos szerkesztését, és a 2010-es években történt bevezetése óta világszerte végigsöpört a laboratóriumokon. Számtalan alkalmazása van: a kutatók azt remélik, hogy az emberi gének megváltoztatásával betegségeket lehet megszüntetni; keményebb növényeket lehet létrehozni; ki lehet irtani a kórokozókat és így tovább.
“Az a képesség, hogy a DNS-t ott vágjuk, ahol akarjuk, forradalmasította az élettudományokat” – mondta Pernilla Wittung Stafshede biofizikai kémikus, a kémiai Nobel-bizottság tagja a díj bejelentésekor. “A “genetikai ollót” mindössze nyolc évvel ezelőtt fedezték fel, de máris nagy hasznára vált az emberiségnek”.
Doudna és Charpentier és kollégáik kritikus korai munkát végeztek a rendszer jellemzésében, de számos más kutatót is idéztek – és más magas rangú díjakban is elismertek – mint a CRISPR kifejlesztésében kulcsszerepet játszókat. Közéjük tartozik Feng Zhang a Massachusetts állambeli Cambridge-ben, az MIT és a Harvard Broad Institute-ban, George Church a Massachusetts állambeli Bostonban, a Harvard Medical Schoolban, valamint Virginijus Siksnys biokémikus a litvániai Vilnius Egyetemen (lásd: “A CRISPR számos úttörője”).
Doudna “tényleg mélyen aludt”, amikor a telefonja zümmögése felébresztette, és fogadta a Nature riporterének hívását, aki közölte a hírt. “Egy hawaii kisvárosban nőttem fel, és 100 millió év alatt sem gondoltam volna, hogy ez megtörténik” – mondja Doudna. “Tényleg megdöbbentem, teljesen sokkos állapotban vagyok.”
“Olyan sok csodálatos tudóst ismerek, akik soha nem fogják ezt megkapni, olyan okokból, amelyeknek semmi közük ahhoz, hogy ők csodálatos tudósok” – mondja Doudna. “Igazán meg vagyok alázva.”
Baktériumokból született
ACRISPR, a clustered regularly interspaced short palindromic repeats rövidítése, egy mikrobiális “immunrendszer”, amelyet a prokarióták – baktériumok és archaea – a fágoknak nevezett vírusok általi fertőzés megelőzésére használnak. A CRISPR-rendszer lényege, hogy a prokarióták képesek felismerni a fágnak vagy más betolakodóknak megfelelő pontos genetikai szekvenciákat, és ezeket a szekvenciákat speciális enzimek segítségével megsemmisíteni.
A korábbi munkák azonosították ezeket az enzimeket, amelyeket CRISPR-asszociált fehérjéknek (Cas) neveznek, köztük a Cas9 nevű enzimet. Charpentier azonban, aki először a Bécsi Egyetemen, majd a svédországi Umeå-i Mikrobiális Kutatási Központban dolgozott, az emberekben betegséget okozó Streptococcus pyogenes baktériumban azonosította a CRISPR-rendszer egy másik kulcsfontosságú összetevőjét, egy RNS-molekulát, amely a fágszekvenciák felismerésében vesz részt.
Charpentier 2011-ben jelentette a felfedezést, és még abban az évben együttműködést kezdeményezett Doudnával. A Science-ben megjelent 2012-es, mérföldkőnek számító tanulmányukban1 a duó izolálta a CRISPR-Cas9 rendszer összetevőit, átalakította őket a kémcsőben való működéshez, és megmutatta, hogy a rendszer programozható az izolált DNS meghatározott helyeinek elvágására. Programozható génszerkesztő rendszerük számtalan alkalmazás aranylázát inspirálta az orvostudományban, a mezőgazdaságban és az alaptudományokban, és a munka folytatódik a CRISPR finomításán és tökéletesítésén, valamint más génszerkesztő eszközök azonosításán.
“Azt reméltük, hogy ezt valóban olyan technológiává tudjuk alakítani, amellyel átírhatjuk a sejtek és szervezetek genetikai kódját” – mondja Martin Jinek, a Zürichi Egyetem biokémikusa, aki Doudna laboratóriumának posztdoktora volt, és a Science kulcsfontosságú tanulmányának egyik első szerzője. “Amit nem igazán értékeltünk, az az volt, hogy a technológiát milyen gyorsan átveszik majd mások is a területen, majd továbbfejlesztik.”
A CRISPR számos úttörője
Nem lenne CRISPR Francisco Mojica nélkül. A spanyolországi Alicantei Egyetemen dolgozó mikrobiológus segített nevet adni a rendszernek. Mojica 1993-ban a Haloferax nevű archeon genomjában különös, ismétlődő DNS-szekvenciákat azonosított. Később kimutatta, hogy hasonló szekvenciák széles körben elterjedtek a prokariótákban, és megegyeznek a baktériumokat megfertőző vírusok, a fágok genetikai anyagával.
2005-ben Mojica feltételezte, hogy ezek a szekvenciák egy mikrobiális immunrendszer részei. A hollandiai Utrechti Egyetemen dolgozó Ruud Jansennel együtt Mojica kitalálta a most Nobel-díjas rövidítést: CRISPR, ami a clustered regularly interspaced short palindromic repeats rövidítése. A CRISPR-rel kapcsolatos munkájáért Mojica 2017-ben a New York-i Rockefeller Egyetemen Charpentier-vel, Doudnával, Feng Zhanggal és Luciano Marraffinivel osztozott az Albany Medical Center 500 ezer dolláros orvosi díján.
Moudna és Charpentier nem az egyetlen tudósok voltak, akik rájöttek, hogy a CRISPR rendszer programozható más DNS-darabok vágására. 2012-ben – nagyjából abban az időben, amikor a duó publikálta kísérleteiket, amelyek megmutatták, hogy a CRISPR-Cas9 rendszer képes izolált DNS-t vágni – a litvániai Vilnius Egyetem Virginijus Šikšnys biokémikusa által vezetett csoport megmutatta, hogyan lehet a Cas9 enzimet arra utasítani, hogy előre meghatározott DNS-szekvenciákat vágjon. Šikšnys 2018-ban Doudnával és Charpentier-vel megosztva kapta meg a nanotudományok Kavli-díját.
A Nobel-bizottság döntése, hogy Zhang nem került be a díjba, az egyik legnagyobb meglepetés volt. A genetikus Charpentierrel és Doudnával együtt általában a CRISPR-ért járó Nobel-díjra legesélyesebb triónak nevezték. Zhang csapata egy 2013 elején megjelent Science-dokumentumban módosította a CRISPR-Cas9 rendszert, hogy emberi és egérsejtekben pontos genomvágásokat végezzen. Church csapata ugyanebben az időben írta le az emberi sejtek DNS-ét vágó munkát.
Jin-Soo Kim, a dél-koreai Daejeonban működő Institute for Basic Science genommérnöke, aki az elsők között adaptálta a CRISPR-t különböző sejtek genomszerkesztésére, azt mondja, hogy bár izgatott a Nobel-díj bejelentése miatt, meglepte, hogy Dana Carroll biokémikust a Salt Lake City-i Utah-i Egyetemen figyelmen kívül hagyták. Carroll jóval a CRISPR megjelenése előtt kidolgozta más enzimek, az úgynevezett cink-ujjas nukleázok alkalmazásának módját a genomok szerkesztésére.
Bár a CRISPR könnyebben használható, mint a cink-ujjas nukleázok, Kim azt mondja, hogy Carrollt tekinti a genomszerkesztési terület megalapítójának. “Kétségtelen, hogy Doudna és Charpentier is megérdemli az elismerést” – mondja. ” De a cink-ujjas nukleázok segítségével történő genomszerkesztés bemutatása nélkül nem sokan tudták volna elképzelni a CRISPR-Cas9 használatát a genomszerkesztéshez.”
Verseny a kereskedelmi forgalomba hozatalért
Kevesebb mint egy évtized alatt a kutatók a CRISPR-Cas9 segítségével genomszerkesztett növényeket, rovarokat, genetikai modelleket és kísérleti emberi terápiákat fejlesztettek ki. Jelenleg is folynak klinikai kísérletek a sarlósejtes vérszegénység, az örökletes vakság és a rák kezelésére. Doudna, Charpentier és mások a területen, biotechnológiai cégek generációját indították útjára, amelyek célja a technika fejlesztése e célok elérése érdekében.
A technológia azonban vitákat is kiváltott – különösen az emberi sejtekben való születőben lévő alkalmazása miatt. 2018 novemberében He Jiankui kínai biofizikus bejelentette, hogy ikerlányok születtek olyan embriókból, amelyeket ő és kollégái a CRISPR-Cas9 segítségével szerkesztettek. A hír felháborodást váltott ki: az embriók szerkesztése számos etikai, társadalmi és biztonsági aggályt vet fel, és világszerte számos kutató gyorsan elítélte He munkáját.
Szeptemberben egy vezető amerikai és brit tudományos társaságok által összehívott nemzetközi testület ismét arra a következtetésre jutott, hogy a technológia nem áll készen a beültetésre szánt emberi embriókon történő alkalmazásra.
A munka heves szabadalmi csatát is kiváltott – elsősorban a Broad Institute és a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem között -, amely a mai napig dübörög arról, hogy kié a CRISPR-Cas9 genomszerkesztés jövedelmező szellemi tulajdonjoga.
Mégis Church egyetért azzal, ahogy a díjat felosztották. Bár büszke a saját és Zhang laboratóriumában végzett munkára – amely a rendszert úgy alakította át, hogy emlőssejtekben is működjön, megnyitva az utat az emberi betegségek modellezése és potenciális kezelése előtt -, Church szerint ez a munka inkább mérnöki és találmányi munkának, mintsem tudományos felfedezésnek minősíthető. “Szerintem ez egy nagyszerű választás” – mondja.
Mindig nehéz kiemelni egy felfedezést a díjra, mondja Francis Collins genetikus, az amerikai Nemzeti Egészségügyi Intézetek vezetője a marylandi Bethesdában. “Gyakorlatilag semmi sem jön a semmiből” – mondja. “Nehéz eldönteni, hogy melyik felfedezést válasszuk ki.”
A CRISPR-Cas9 genomszerkesztés egyik egyedülálló aspektusa azonban a technika egyszerűsége és sokoldalúsága, teszi hozzá. “A CRISPR-Cas ezt sokkal könnyebben elfogadhatóvá tette” – mondja Collins. “Nincs olyan molekuláris biológiai laboratórium, amelyről tudnék, amely ne kezdett volna el dolgozni a CRISPR-Cas-szal.”