Inżynieria genetyczna

Inżynieria genetyczna jest młodą, aczkolwiek prężnie rozwijającą się dziedziną nauki, z której osiągnięć ludzkość korzysta na co dzień. W uproszczeniu, inżynierię genetyczną rozumiana jest jako przenoszenie genów z jednego żywego organizmu do drugiego, modyfikując zarazem jego cechy i właściwości dziedziczne. Historia tej gałęzi nauki sięga początków lat 70. XX wieku, kiedy dokonano dwóch wielkich osiągnięć. Najpierw, w roku 1972 Paul Berg stworzył pierwsze cząsteczki rekombinowanego DNA, poprzez połączenie DNA wirusa SV40, z materiałem genetycznym bakteriofaga lambda, natomiast rok później dokonano kolejnego przełomu – Herbert Boyer oraz Stanley Cohen stworzyli pierwszy w historii transgeniczny organizm, poprzez wprowadzenie genu odporności na antybiotyk do materiału genetycznego komórek bakterii Escherichia coli [1].

Ponad 40 lat rozwoju różnych technik inżynierii genetycznej przyniosło wiele osiągnięć, mających ogromny wpływ na postęp rozmaitych gałęzi przemysłu. Ludzkość może tworzyć zmodyfikowane gatunki zbóż i roślin uprawnych, odpornych na choroby, wpływ niekorzystnych substancji chemicznych, czy też złe warunki środowiska. Inżynieria genetyczna umożliwiła hodowlę zwierząt, które dzięki zwiększeniu produkcji hormonu wzrostu, rosną szybciej oraz osiągają większą masę. Co więcej, inżynieria genetyczna znalazła zastosowanie w medycynie – przy wytwarzaniu sztucznej insuliny i leczeniu schorzeń genetycznych [1]. Jednakże, dopiero w ciągu ostatnich kilku lat naukowcy opracowali prawdziwie rewolucyjne narzędzie, które zmienić może wszystkie dziedziny życia człowieka – CRISPR/Cas9.

CRISPR jest skrótem, pod którym kryje się angielska nazwa – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, co po polsku oznacza zgrupowane, regularnie rozproszone, krótkie sekwencje palindromiczne. Owe elementy, po raz pierwszy zaobserwował w roku 1987 japoński biolog Yoshizumi Ishino, który dostrzegł u bakterii Escherichia coli powtarzające się, równomiernie rozmieszczone fragmenty DNA, zgrupowane w konkretnym miejscu bakteryjnego DNA. Z początku nie udało się jednak ustalić, jaką funkcję mogą mieć te sekwencje [2, 3].

Przełom nastąpił w roku 2005, kiedy trzy niezależne grupy badawcze dowiodły, że zgrupowania CRISPR oddzielają od siebie sekwencje obce dla DNA bakteryjnego (DNA bakteriofagów oraz pozachromosomowe DNA). Badacze wywnioskowali, że jest to adaptacyjny, immunologiczny system obronny, wykorzystywany przez bakterie [2, 3]. Po raz pierwszy działanie systemu CRISPR jako mechanizm obronny komórki opisano w roku 2007 – dokonali tego francuscy badacze, posługując się bakteriami Streptococcus thermophilus – szczepem bardzo szeroko rozpowszechnionym w produkcji nabiału. Kolejne badania nad mechanizmem działania systemu prowadzone były przez liczne grupy na całym świecie [4].

Upraszczając, mechanizm działania CRISPR przypomina ludzki system odpornościowy. Wirus, gdy atakuje bakterię, przebija się przez jej błonę i wprowadza swoje DNA do komórki. Komórka korzysta z informacji zawartych w sekcji CRISPR i tworzy enzymy, mające zniszczyć materiał genetyczny wirusa. Enzym (Cas9 – CRISPR associated protein 9), zawierający fragment gRNA (guide RNA) o wzorcu komplementarnym do DNA wirusa, przyczepia się do nici w odpowiednim miejscu, a następnie jest w stanie przeciąć ją w odpowiednich miejscach, czyniąc wirusowe DNA niegroźnym. Bardzo precyzyjnie pocięte fragmenty wirusowego DNA zostają następnie dodane do DNA zaatakowanej bakterii w sekcji CRISPR, tworząc pewnego rodzaju pamięć immunologiczną bakterii, dzięki której w przyszłości może ona szybciej zidentyfikować i zneutralizować zagrożenie [2, 3, 5].

Podobnie system CRISPR działa zastosowany w laboratorium. Naukowcy wytwarzają cząsteczkę RNA, zawierającą sekwencję naprowadzającą (guide RNA), która może rozpoznać i przyłączyć się do konkretnego miejsca w DNA. RNA związane jest z enzymem Cas9, zdolnym do precyzyjnego przecięcia nici i usunięcia konkretnej sekwencji DNA. Następnie, analogicznie jak w systemie bakteryjnym, można w miejsce wycięcia niechcianej sekwencji wstawić inną [5]. Z punktu widzenia zastosowania tego zjawiska w technologii, przełomowy moment nastąpił w 2013 roku – grupie badawczej Fenga Zhanga po raz pierwszy udało się z sukcesem zastosować metodę CRISPR-Cas9 do edytowania genomu komórek eukariotycznych [4].

Przedstawiony, uproszczony mechanizm działania leży u podstaw niesamowicie potężnego narzędzia inżynierii genetycznej, które może przynieść ogromne korzyści dla ludzkości, ale jednocześnie wzbudza wielkie kontrowersje. Konkretne naukowe i przemysłowe zastosowania metody CRISPR-Cas9, a także jej wady i ryzyka jakie niesie ze sobą jej stosowanie, zostaną opisane w odpowiednim artykule.


Źródła:


Autor: Michał Gołąbek, ExecMind – International Executive Search

Michał Gołąbek jest absolwentem Inżynierii Biomedycznej na AGH, w specjalności bionanotechnologie, kontynuował również edukację na studiach podyplomowych z Biologii Molekularnej na Uniwersytecie Jagiellońskim. Obecnie pracuje w firmie ExecMind, gdzie zajmuje się łączeniem czołowych talentów naukowych, z całego świata, z możliwościami rozwoju w sektorze Life Science i technologii medycznych, a także analizą rynku biotechnologicznego.

Artykuł przygotowany w ramach projektu ProBio Małopolska