Jennifer Doudna și Emmanuelle Charpentier împart premiul Nobel pentru chimie pe anul 2020 pentru descoperirea unei tehnici de editare genetică care schimbă regulile jocului.Credit: Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
Este CRISPR. Doi oameni de știință care au fost pionierii acestei tehnologii revoluționare de editare a genelor sunt câștigătorii Premiului Nobel pentru Chimie de anul acesta.
Salegerea de către Comitetul Nobel a lui Emmanuelle Charpentier, acum la Unitatea Max Planck pentru Știința Patogenilor din Berlin, și a lui Jennifer Doudna, de la Universitatea din California, Berkeley, pune capăt unor ani de speculații cu privire la cine va fi recunoscut pentru activitatea lor de dezvoltare a instrumentelor de editare a genelor CRISPR-Cas9. Tehnologia permite editarea precisă a genomului și a cuprins laboratoarele din întreaga lume de la crearea sa în anii 2010. Are nenumărate aplicații: cercetătorii speră să o folosească pentru a modifica genele umane pentru a elimina bolile; pentru a crea plante mai rezistente; pentru a elimina agenții patogeni și multe altele.
„Capacitatea de a tăia ADN-ul acolo unde doriți a revoluționat științele vieții”, a declarat Pernilla Wittung Stafshede, chimist biofizician și membru al comitetului Nobel pentru chimie, la anunțarea premiului. „”Foarfecele genetice” au fost descoperite în urmă cu doar opt ani, dar au adus deja mari beneficii omenirii.”
Doudna și Charpentier și colegii lor au făcut o muncă inițială critică de caracterizare a sistemului, dar mai mulți alți cercetători au fost citați – și recunoscuți în alte premii de profil înalt – ca fiind contribuitori cheie în dezvoltarea CRISPR. Printre aceștia se numără Feng Zhang de la Institutul Broad al MIT și Harvard din Cambridge, Massachusetts, George Church de la Școala Medicală Harvard din Boston, Massachusetts, și biochimistul Virginijus Siksnys de la Universitatea Vilnius din Lituania (a se vedea „Numeroșii pionieri ai CRISPR”).
Doudna „dormea cu adevărat adânc” când a fost trezită de bâzâitul telefonului și a primit un apel de la un reporter de la Nature, care i-a dat vestea. „Am crescut într-un orășel din Hawaii și nici într-o sută de milioane de ani nu mi-aș fi imaginat că se va întâmpla așa ceva”, spune Doudna. „Sunt cu adevărat uluită, sunt complet șocată.”
„Cunosc atât de mulți oameni de știință minunați care nu vor primi niciodată acest lucru, din motive care nu au nimic de-a face cu faptul că sunt oameni de știință minunați”, spune Doudna. „Sunt cu adevărat un fel de umilință.”
Născut din bacterii
CRISPR, prescurtare de la clustered regularly interspaced short palindromic repeats, este un „sistem imunitar” microbian pe care procariotele – bacterii și archaea – îl folosesc pentru a preveni infectarea de către viruși numiți fagi. În esența sa, sistemul CRISPR oferă procariotelor capacitatea de a recunoaște secvențe genetice precise care se potrivesc cu un fag sau cu alți invadatori și de a direcționa aceste secvențe pentru a fi distruse cu ajutorul unor enzime specializate.
Lucrări anterioare au identificat aceste enzime, cunoscute sub numele de proteine asociate cu CRISPR (Cas), inclusiv una numită Cas9. Dar Charpentier, care a lucrat mai întâi la Universitatea din Viena și apoi la Centrul Umeå pentru cercetare microbiană din Suedia, a identificat o altă componentă cheie a sistemului CRISPR, o moleculă de ARN care este implicată în recunoașterea secvențelor fagice, în bacteria Streptococcus pyogenes, care poate provoca boli la om.
Charpentier a raportat descoperirea în 2011 și în acel an a inițiat o colaborare cu Doudna. Într-o lucrare de referință din 2012 în Science1, duo-ul a izolat componentele sistemului CRISPR-Cas9, le-a adaptat pentru a funcționa în eprubetă și a arătat că sistemul poate fi programat să taie locuri specifice în ADN izolat. Sistemul lor programabil de editare a genelor a inspirat o avalanșă de nenumărate aplicații în medicină, agricultură și științe de bază – iar activitatea continuă pentru a ajusta și îmbunătăți CRISPR și pentru a identifica alte instrumente de editare a genelor.
„Speram să putem transforma acest lucru într-o tehnologie de rescriere a codului genetic al celulelor și organismelor”, spune Martin Jinek, un biochimist de la Universitatea din Zurich, care a fost postdoctorand în laboratorul lui Doudna și coautor principal al articolului crucial din Science. „Ceea ce nu am apreciat destul de bine a fost cât de repede va fi adoptată tehnologia de către alții din domeniu și apoi împinsă înainte.”
Mulți pionieri ai CRISPR
Nu ar exista CRISPR fără Francisco Mojica. Microbiologul, de la Universitatea din Alicante, Spania, a contribuit la atribuirea numelui sistemului. În 1993, Mojica a identificat secvențe particulare de ADN repetitive în genomul arheonului Haloferax. Ulterior, el a arătat că secvențe similare erau răspândite la procariote și se potriveau cu materialul genetic din fagi, viruși care infectează bacteriile.
În 2005, Mojica a emis ipoteza că aceste secvențe făceau parte dintr-un sistem imunitar microbian. Împreună cu Ruud Jansen de la Universitatea Utrecht din Țările de Jos, Mojica a inventat acronimul care a primit acum premiul Nobel: CRISPR, prescurtarea de la clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Pentru munca sa cu privire la CRISPR, Mojica a împărțit premiul pentru medicină al Albany Medical Center, în valoare de 500.000 USD, în 2017, cu Charpentier, Doudna, Feng Zhang și Luciano Marraffini de la Universitatea Rockefeller din New York.
Doudna și Charpentier nu au fost singurii oameni de știință care și-au dat seama că sistemul CRISPR ar putea fi programat să taie alte bucăți de ADN. În 2012 – cam în aceeași perioadă în care cei doi și-au publicat experimentele care arătau că sistemul CRISPR-Cas9 poate tăia ADN izolat – o echipă condusă de biochimistul Virginijus Šikšnys de la Universitatea Vilnius din Lituania, a arătat cum poate fi instruită enzima Cas9 să taie secvențe predefinite de ADN. În 2018, Šikšnys a împărțit Premiul Kavli în domeniul nanoștiinței cu Doudna și Charpentier.
Decizia Comitetului Nobel de a nu-l include pe Zhang a fost una dintre cele mai mari surprize. Geneticianul a fost numit în mod obișnuit, împreună cu Charpentier și Doudna, ca fiind trio-ul cu cele mai mari șanse de a câștiga un premiu Nobel pentru CRISPR. Echipa lui Zhang, într-o lucrare din Science de la începutul anului 2013, a modificat sistemul CRISPR-Cas9 pentru a face tăieri precise ale genomului în celule umane și de șoarece. Echipa lui Church a descris activitatea de tăiere a ADN-ului celulelor umane cam în aceeași perioadă.
Jin-Soo Kim, inginer de genom la Institutul pentru Științe Fundamentale din Daejeon, Coreea de Sud, și unul dintre primii care a adaptat CRISPR pentru editarea genomului într-o varietate de celule diferite, spune că, deși este încântat de anunțul privind premiul Nobel, a fost surprins de faptul că biochimistul Dana Carroll de la Universitatea din Utah din Salt Lake City a fost trecut cu vederea. Carroll a dezvoltat modalități de desfășurare a altor enzime, numite nucleaze cu degete de zinc, pentru a edita genomuri, cu mult înainte de zilele CRISPR.
Deși CRISPR este mai ușor de utilizat decât nucleazele cu degete de zinc, Kim spune că o consideră pe Carroll drept fondatoarea domeniului de editare a genomului. „Fără îndoială că Doudna și Charpentier merită recunoașterea”, spune el. „Dar fără demonstrația editării genomului prin intermediul nucleazelor cu degete de zinc, nu mulți oameni și-ar fi putut imagina utilizarea CRISPR-Cas9 pentru editarea genomului.”
Cursa pentru comercializare
În mai puțin de un deceniu, cercetătorii au folosit CRISPR-Cas9 pentru a dezvolta culturi, insecte, modele genetice și terapii umane experimentale editate genetic. Sunt în curs de desfășurare teste clinice pentru a utiliza tehnica în tratarea anemiei secera- le, a orbirii ereditare și a cancerului. Doudna, Charpentier și alții din domeniu, au lansat o generație de companii de biotehnologie menite să dezvolte tehnica pentru a atinge aceste obiective.
Dar tehnologia a generat, de asemenea, controverse – în special pentru aplicațiile sale incipiente în celulele umane. În noiembrie 2018, biofizicianul chinez He Jiankui a anunțat că s-au născut două fetițe gemene din embrioni pe care el și colegii săi i-au editat cu ajutorul CRISPR-Cas9. Vestea a stârnit un scandal: editarea embrionilor ridică o serie de probleme etice, sociale și de siguranță, iar mulți cercetători din întreaga lume au condamnat rapid activitatea lui He.
În septembrie, un grup internațional convocat de importante societăți științifice din SUA și Marea Britanie a concluzionat din nou că tehnologia nu este pregătită pentru a fi utilizată pe embrioni umani destinați implantării.
Lucrarea a declanșat, de asemenea, o bătălie aprigă pentru brevete – în principal între Institutul Broad și Universitatea din California, Berkeley – care răzbate până în prezent cu privire la cine deține drepturile profitabile de proprietate intelectuală pentru editarea genomului CRISPR-Cas9.
Cu toate acestea, Church este de acord cu modul în care a fost împărțit premiul. Deși este mândru de munca depusă în laboratorul său și în laboratorul lui Zhang – care a adaptat sistemul pentru a funcționa în celule de mamifere, deschizând ușa către modelarea și, potențial, tratarea bolilor umane – Church spune că această muncă ar putea fi clasificată drept inginerie și invenție, mai degrabă decât descoperire științifică. „Cred că este o alegere excelentă”, spune el.
Este întotdeauna dificil să alegi o descoperire pentru un premiu, spune Francis Collins, genetician și director al Institutului Național de Sănătate al SUA din Bethesda, Maryland. „Practic, nimic nu apare de nicăieri”, spune el. „Este greu atunci când te uiți la orice descoperire să decizi pe cine să alegi.”
Dar un aspect unic al editării genomului CRISPR-Cas9 a fost ușurința și versatilitatea tehnicii, adaugă el. „CRISPR-Cas a făcut ca acest lucru să fie mult mai ușor de acceptat”, spune Collins. „Nu există niciun laborator de biologie moleculară pe care îl cunosc care să nu fi început să lucreze cu CRISPR-Cas.”
.