Edycja genów. Władza nad ewolucją

Od czasów bomby atomowej nie było technologii, która zaalarmowałaby wynalazców do tego stopnia, że zdecydowali się ostrzec świat przed jej wykorzystaniem.

Nie było aż do wiosny 2015 roku, kiedy biolożka Jennifer Doudna wezwała do ogłoszenia światowego moratorium na stosowanie CRISPR, nowego narzędzia do edycji genów – rewolucyjnej technologii, którą sama pomagała stworzyć, umożliwiającej wprowadzanie dziedzicznych zmian w ludzkich zarodkach.

Dzięki CRISPR, najtańszemu, najprostszemu, najskuteczniejszemu sposobowi manipulowania DNA, jaki kiedykolwiek opracowano, możemy uzyskać lek na choroby genetyczne i niektóre nowotwory, a także HIV. CRISPR może też pomóc nam uporać się z kryzysem głodu na świecie.

Jednakże nawet najmniejsze zmiany w DNA mogą pociągnąć za sobą nieprzewidziane konsekwencje – nie wspominając już o etycznych i społecznych reperkusjach rozmyślnego wywoływania mutacji zarodków w celu stworzenia „lepszych” ludzi.

Doudna wraz ze współautorem, naukowcem Samem Sternbergiem, dzieli się z czytelnikami frapującą historią swojego odkrycia i żarliwie argumentuje, że zdolność napisania na nowo kodu życia wiąże się z olbrzymią odpowiedzialnością. Dowodzi nam, że dzięki CRISPR praktycznie przejęliśmy kontrolę nad ewolucją. Co zrobimy z tą niezgłębioną władzą?

“Edycja genów” to naukowy dreszczowiec i porywająca lektura w formie osobistej relacji z życiowej podróży błyskotliwej badaczki, która odegrała główną rolę w opracowaniu technologii stanowiącej obecnie jedną z najbardziej obiecujących i potężnych metod edycji naszych genomów.
Venki Ramakrishnan, prezes Royal Society, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii

Książka “Edycja genów” jest potężnym świadectwem roli ciekawości i nieustępliwości w badaniach naukowych, a także naglącym apelem słynnych biologów, których odkrycie umożliwiło nam napisanie na nowo kodu życia. Przyszłość spoczywa w naszych rękach jak nigdy przedtem, a ta książka wyjaśnia nam, o jaką stawkę toczy się gra.
George Lucas, reżyser filmowy

Dr Jennifer A. Doudna jest wykładowczynią na wydziałach chemii oraz biologii molekularnej i biologii komórki University of California w Berkeley, badaczką w Howard Hughes Medical Institute oraz naukowcem Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division pod egidą Lawrence Berkeley National Laboratory. Jest uznaną na całym świecie, czołową specjalistką w dziedzinie biochemii RNA i białek, biologii CRISPR oraz inżynierii genomicznej.

Dr Samuel H. Sternberg jest biochemikiem, wielokrotnie nagradzanym autorem publikacji naukowych na temat CRISPR.

Śnię o tym, że stoję na plaży.
Na lewo i na prawo ode mnie biegnie wzdłuż wody pas piachu przypominającego barwą sól zmieszaną z pieprzem; obramowuje zarys rozległej zatoki. Uświadamiam sobie, że to wybrzeże hawajskiej wyspy, na której się wychowałam – brzeg zatoki Hilo, gdzie niegdyś spędzałam z przyjaciółmi weekendy na kibicowaniu zawodnikom wyścigów kajakowych i na poszukiwaniu muszli lub wyrzucanych niekiedy przez morze na brzeg szklanych kulek z japońskich kutrów rybackich.
Dziś jednak nie widzę tu przyjaciół, kajaków ani kutrów. Plaża jest pusta, a piasek i morze pogrążone w nienaturalnym spokoju. Za falochronem światło łagodnie igra z powierzchnią oceanu, jak gdyby chciało ukoić strach tkwiący we mnie od dzieciństwa, koszmar nawiedzający każdego mieszkańca Hilo bez względu na wiek. Moje pokolenie dorosło, nie doświadczywszy na własnej skórze tsunami, ale wszyscy widzieliśmy jego skutki na zdjęciach. Wiemy, że nasze miasteczko leży w strefie zalewowej.
Wtem, jak na zawołanie, widzę ją w oddali. Fala.
Początkowo mała, rośnie z każdą sekundą w piętrzący się przede mną mur, grzebieniami białych grzywaczy przesłania niebo. Za nią w stronę wybrzeża suną kolejne fale.
Paraliżuje mnie strach, lecz gdy tsunami majaczy coraz bliżej, moje przerażenie ustępuje miejsca determinacji. Dostrzegam za sobą małą drewnianą chatę. Mieszka tam mój przyjaciel Pua, a przed domem leży stos desek surfingowych. Chwytam jedną z nich i rzucam się w wodę, wiosłuję w głąb zatoki, omijam falochron i kieruję się wprost ku nadbiegającym falom. Zanim pierwsza mnie ogarnie, przebijam się przez nią, wyłaniam się po drugiej stronie i płynę ku następnej. W trakcie tych zmagań widzę niezwykły pejzaż – wulkan Mauna Kea, a za nim masyw Mauna Loa górują opiekuńczo nad zatoką, wznosząc się wysoko w niebo.
Wtem w mgnieniu oka budzę się w swej sypialni w kalifornijskim Berkeley, odległym o tysiące kilometrów od mojego rodzinnego domu.
Jest lipiec 2015 roku, sam środek najbardziej ekscytującego i oszałamiającego roku w moim życiu. Sny takie jak ten zaczęłam miewać regularnie, a rozpoznanie ich głębszego znaczenia nie sprawia mi obecnie trudności. Plaża jest złudzeniem, lecz fale oraz splot wywoływanych przez nie emocji – strachu, nadziei i podziwu – są aż nazbyt realne.
Nazywam się Jennifer Doudna. Jestem biochemiczką, a większość mojej zawodowej kariery spędziłam w laboratorium na badaniach związanych z zagadnieniami, o których większość ludzi spoza grona naukowców z mojej dziedziny nigdy nie słyszała. Jednakże przez pół minionej dekady zajmowałam się przełomowym przedsięwzięciem w naukach biologicznych, którego postępy nie dadzą się zamknąć w czterech ścianach akademickiego ośrodka badawczego. Mnie i moich kolegów porwała niepowstrzymana siła niezbyt różniąca się od tsunami ze snu – tyle że tę falę osobiście pomogłam wywołać.
Zanim nastało lato 2015 roku, biotechnologia – której zaledwie przed kilku laty pomagałam stanąć na nogi – rosła w niewyobrażalnym tempie. Jej rezultaty można porównać do wstrząsu sejsmicznego, dotykającego nie tylko świata nauki, lecz także całego życia na Ziemi.
Książka zawiera opowieść o tej nauce i o mnie. A także o tobie. Niedługo bowiem reperkusje tej technologii dotrą również do twoich drzwi.

Ludzie przez całe tysiąclecia kształtowali materialny świat, lecz efekty tego procesu nigdy nie były tak dramatyczne jak dzisiaj. Uprzemysłowienie wywołało zmiany klimatyczne, zagrażające ekosystemom na całym świecie, to zaś wraz z innymi ludzkimi poczynaniami rozpętało lawinę wymierania gatunków, pustoszącą rozmaite populacje stworzeń, z którymi dzielimy Ziemię. Powyższe przemiany natchnęły geologów do wysunięcia propozycji, byśmy zmienili nazwę tej ery na „antropocen” – epokę człowieka.
Świat biologiczny również przechodzi głębokie, zapoczątkowane przez człowieka zmiany. Przez miliardy lat życie postępowało naprzód zgodnie z darwinowską teorią ewolucji: organizmy rozwijały się dzięki serii przypadkowych zmian genetycznych, z których część korzystnie wpływała na szanse przeżycia, zwycięstwa w rywalizacji i rozrodu. Aż do dziś ów proces kształtował także nasz gatunek – w istocie do niedawna byliśmy zdani na jego łaskę. Kiedy dziesięć tysięcy lat temu powstało rolnictwo, ludzie zaczęli wpływać na ewolucję przez wybiórcze hodowanie roślin i zwierząt, ale materiał wyjściowy – przypadkowe mutacje DNA, tworzące dostępne warianty genetyczne – nadal powstawał samoistnie i losowo.
W rezultacie dążenia naszego gatunku do przekształcenia natury utykały w miejscu i przynosiły jedynie ograniczone sukcesy.
Dzisiejszy stan rzeczy nie mógłby się bardziej różnić od tamtego. Naukowcom udało się całkowicie poddać ten pierwotny proces kontroli człowieka. Badacze, manipulując potężnymi narzędziami biotechnologicznymi w cząsteczkach DNA wewnątrz żywych komórek, potrafią teraz w racjonalny sposób modyfikować kod genetyczny, definiujący wszystkie gatunki na Ziemi z naszym włącznie. Dzięki zaś najnowszemu i zapewne najskuteczniejszemu narzędziu inżynierii genetycznej – CRISPR-Cas9 (w skrócie CRISPR) – genom, czyli cały zawarty w organizmie DNA wraz z wszystkimi genami, stał się podatny na edycję niemal tak samo jak prosty fragment tekstu.
Jeśli tylko naukowcy znają genetyczny kod nadający określoną cechę, mogą za pomocą CRISPR wstawić związany z nią gen do genomu dosłownie każdej żyjącej rośliny bądź zwierzęcia, poddać go edycji albo usunąć. To proces o wiele prostszy i skuteczniejszy niż jakakolwiek inna istniejąca technologia manipulowania genami. Praktycznie z dnia na dzień znaleźliśmy się u zarania nowej ery inżynierii genetycznej oraz biologicznego kunsztu – ery rewolucyjnej, w której możliwości ogranicza tylko nasza zbiorowa wyobraźnia.
Królestwo zwierząt stało się pierwszym i, jak dotąd, największym polem doświadczalnym tego nowego narzędzia do edycji genów. Na przykład naukowcy zaprzęgli CRISPR do stworzenia genetycznie ulepszonej wersji psiej rasy beagle, otrzymując psy o supermuskulaturze niczym u Schwarzeneggera dzięki zamianie pojedynczych liter kodu DNA w genie sterującym tworzeniem się mięśni. W innym przypadku badacze dzięki wyłączeniu w świńskim genomie genu reagującego na hormon wzrostu uzyskali mikroskopijne świnie, nie większe od dużych kotów, które można by sprzedawać jako zwierzęta domowe. Podobnie postąpili z kozami rasy Shannbei – poddali edycji metodą CRISPR genom zwierząt, w wyniku czego u kóz rozwijała się większa muskulatura (hodowla dawała zatem więcej mięsa) i obfitsza sierść (co oznaczało więcej włókien kaszmirowych). Genetycy używają nawet techniki CRISPR do przekształcania DNA słonia indyjskiego w taki sposób, by coraz bardziej przypominał DNA mamuta włochatego; mają nadzieję, że pewnego dnia wskrzeszą to wymarłe zwierzę.
Tymczasem w świecie roślin CRISPR szeroko stosuje się do edycji genomów gatunków uprawnych, co toruje drogę postępom rolnictwa, które mogą spektakularnie poprawić ludzką dietę i zapewnić wyżywienie większej liczbie mieszkańców globu. W wyniku eksperymentów z edycją genów powstały: ryż oporny na choroby, wolniej dojrzewające pomidory, soja zawierająca więcej zdrowszych tłuszczów nienasyconych oraz ziemniaki z mniejszą zawartością silnej neurotoksyny. Naukowcy pracujący nad żywnością osiągają te postępy nie za pomocą technik transgenicznych, czyli wklejania DNA jednego gatunku do genomu innego, tylko dzięki precyzyjnym genetycznym ulepszeniom obejmującym zaledwie kilkuliterowe zmiany własnego kodu DNA danego organizmu.
Chociaż zastosowanie tej metody w odniesieniu do żyjącej na naszej planecie flory i fauny to ekscytujące zagadnienie, wpływ edycji genów własnego gatunku jest zarazem największą obietnicą i zapewne największym zagrożeniem dla przyszłości człowieka.
Niektóre korzyści dla ludzkiego zdrowia paradoksalnie mogą wynikać z zastosowania CRISPR wobec zwierząt lub nawet owadów. W niedawno przeprowadzonych eksperymentach użyto tej techniki do „uczłowieczenia” DNA świń, co zrodziło nadzieję, że pewnego dnia te zwierzęta będą mogły służyć ludziom jako dawcy narządów. Za pomocą CRISPR sięgnięto również do wnętrza genomów nowych szczepów moskitów z zamiarem szybkiego wprowadzenia nowych cech w populacjach dziko żyjących owadów. Naukowcy mają nadzieję na ostateczne wykorzenienie chorób przenoszonych przez moskity, takich jak zimnica (malaria) lub zakażenie wirusem Zika, albo nawet na wyniszczenie samych przenoszących choroby owadów.
Jeśli chodzi o leczenie wielu chorób, CRISPR oferuje szansę na edycję i naprawę zmutowanych genów bezpośrednio u chorych ludzi. Ujrzeliśmy dotychczas zaledwie przebłysk możliwości tej techniki, ale to, co widzieliśmy w ciągu kilku minionych lat, prezentuje się porywająco. Nową technologię edycji genów zastosowano w laboratoryjnie hodowanych ludzkich komórkach do korygowania mutacji odpowiedzialnych za mukowiscydozę, anemię sierpowatą, niektóre postacie ślepoty i ciężkie złożone niedobory odporności, a także wiele innych schorzeń. Metoda CRISPR umożliwiła naukowcom dokonywanie takich wyczynów, jak wyszukiwanie i poprawianie pojedynczych błędnych liter kodu DNA wśród 3,2 miliarda liter składających się na ludzki genom, ale można ją wykorzystać do jeszcze bardziej skomplikowanych modyfikacji. Badacze korygowali błędy w DNA, powodujące dystrofię mięśniową Duchenne’a, wycinając tylko uszkodzony odcinek zmutowanego genu i pozostawiając nienaruszoną pozostałą część. W przypadku hemofilii typu A naukowcy zaprzęgli CRISPR do precyzyjnej zmiany kolejności przeszło pół miliona liter kodu DNA, które w genomach osób chorych uległy przestawieniu. Można by nawet użyć CRISPR do leczenia AIDS/nosicielstwa wirusa HIV – albo przez wycięcie z zakażonych komórek pacjenta DNA zawierającego genom wirusa, albo przez edycję DNA osoby chorej, dzięki czemu jej komórki w ogóle unikną zakażenia.
Lista możliwych leczniczych zastosowań edycji genów ciągnie się bez końca. Ponieważ CRISPR umożliwia precyzyjną i stosunkowo prostą edycję DNA, ta metoda przeistoczyła każdą chorobę genetyczną – a przynajmniej każdą, której ukryte mutacyjne podłoże poznaliśmy – w potencjalnie uleczalny cel. Lekarze już zaczęli leczyć niektóre nowotwory podrasowanymi komórkami układu odpornościowego, których genomy uzbrojono w poddane edycji geny pomagające im w polowaniu na komórki nowotworowe. Chociaż mamy jeszcze pewien dystans do przebycia, zanim metody leczenia oparte na CRISPR staną się powszechnie dostępne dla chorych ludzi, potencjał drzemiący w tych metodach nie budzi wątpliwości. Edycja genów niesie obietnicę stworzenia metod terapii odmieniających życie pacjentów, a w niektórych wypadkach je ratujących.
Jednakże z technologią CRISPR wiążą się jeszcze inne głębokie implikacje – można ją wykorzystywać nie tylko do leczenia schorzeń żyjących osób, lecz także do zapobiegania chorobom ludzi z przyszłości. Metoda ta jest tak prosta i skuteczna, że naukowcy mogliby ją zastosować do modyfikowania ludzkich komórek linii płciowej, czyli strumienia informacji genetycznej łączącego jedno pokolenie z następnym. Nie wątpię, że pewnego dnia ta technologia zostanie gdzieś użyta w celu zmiany genomu naszego gatunku w możliwy do dziedziczenia sposób, co na zawsze przeobrazi genetyczną strukturę ludzkości.
Przy założeniu, że edycja genów u ludzi okaże się bezpieczna i efektywna, logicznym, a nawet preferowanym rozwiązaniem może się wydać zastosowanie jej do skorygowania chorobotwórczych mutacji w jak najwcześniejszym etapie życia, zanim szkodliwe geny zaczną siać spustoszenie. Jednakże gdy przekształcenie zmutowanych genów zarodka w „prawidłowe” stanie się wykonalne, z pewnością pojawi się pokusa ulepszenia normalnych genów do ponoć doskonalszych wersji. Czy powinniśmy edytować geny nienarodzonych dzieci, by na całe życie zmniejszyć ich zagrożenie schorzeniami serca, chorobą Alzheimera, cukrzycą lub nowotworami? A co z nadawaniem im korzystnych cech, takich jak większa siła i ulepszone funkcje poznawcze, albo ze zmianą ich wyglądu fizycznego, na przykład koloru oczu i włosów? Dążenie do ideału wydaje się niemal wrodzoną częścią ludzkiej natury, lecz jeśli ruszymy wzdłuż tej równi pochyłej, może nam się nie spodobać punkt, w jakim wylądujemy.
Kwestia jest następująca: przez niemal sto tysięcy lat istnienia ludzi współczesnych genom Homo sapiens kształtowały bliźniacze siły przypadkowych mutacji oraz doboru naturalnego. Obecnie pierwszy raz w dziejach posiedliśmy zdolność edycji DNA nie tylko każdego żyjącego człowieka, lecz także przyszłych pokoleń, czyli w gruncie rzeczy kierowania ewolucją własnego gatunku. To bezprecedensowy fakt w historii życia na Ziemi. Wykracza on poza granice naszego pojmowania. Zmusza nas do zmierzenia się z niemożliwie trudnym, lecz zasadniczym pytaniem: co my, przedstawiciele zrzędliwego gatunku, nieumiejący w wielu sprawach dojść do zgody między sobą, postanowimy zrobić z tą budzącą grozę władzą?