Το “ψαλίδι” που κόβει το DNA

Μια επανάσταση συμβαίνει τα τελευταία τέσσερα χρόνια στη βιολογία. Έρχεται με την κωδική ονομασία CRISPR-Cas9 (Κρίσπερ) και αναμένεται να αλλάξει τον κόσμο, αφού έχει κάνει πιο εύκολη, γρήγορη και φθηνή την αλλαγή του κώδικα DNA των ζωντανών οργανισμών. Πόσο μακριά είμαστε από τα «μωρά κατά παραγγελία»;

Παρασκευή 21 Οκτωβρίου 2016

Κείμενο Ασπασία Δασκαλοπούλου

Από το “πείραγμα” των γονιδίων των φυτών ώστε να αποκτήσουν ανθεκτικότητα σε διάφορες ασθένειες και την εντατική μελέτη των μηχανισμών δράσης των ανθρώπινων ασθενειών (συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου, του ΑIDS και του αυτισμού) μέχρι την τροποποίηση εμβρύων που, προς το παρόν μόνο στο εργαστήριο, θα μπορούσε να οδηγήσει στην αλλαγή της γενετικής γενεαλογικής γραμμής του ανθρώπινου είδους, η νέα τεχνολογία CRISPR-Cas9 είναι μια ανεξάντλητη πηγή γνώσης και καινοτομίας. Το Κρίσπερ, όπως προφέρεται, έχει κάνει ήδη ευκολότερη και ταχύτερη, πιο στοχευμένη και πιο οικονομική την τροποποίηση του DNΑ και υπόσχεται να αλλάξει την έρευνα, τα μέσα και την ταχύτητα των ανακαλύψεων, και να βελτιώσει δραματικά την κατανόηση των βιολογικών λειτουργιών, ακόμα και την ίδια την ιατρική.

Είναι γεγονός –και κάτι τέτοιο δεν ισχύει μόνο για τη γενετική– ότι όσο πιο γρήγορα υιοθετείται μια τεχνολογία, τόσο πιο πιθανό είναι να προκαλέσει ανησυχία, καχυποψία, αλλά και φόβο. Είναι πραγματικότητα και όχι ευφυολόγημα, ότι κατά την διάρκεια μιας πυρκαγιάς στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον τη δεκαετία του 1980 ήταν αδύνατο να πειστούν οι πυροσβέστες να εισέλθουν σε ένα εργαστήριο όπου υπήρχε «ανασυνδυασμένο DNA», το οποίο αποτέλεσε τη βάση της γενετικής μηχανικής.

Το Κρίσπερ δεν αποτελεί εξαίρεση. Στο πλαίσιο του μεγαλύτερου ευρωπαϊκού συνεδρίου γενικής επιστήμης ESOFΗ ιστοσελίδα του συνεδρίου 2016, αποτέλεσε το κεντρικό θέμα συζήτησης μεταξύ της βιοχημικού Emmanuelle CharpentierΤο βιογραφικό της Δρ Charpentier και της νομικού Sheila JasanoffΤο βιογραφικό της. H Δρ Charpentier, διευθύντρια του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ για την Λοιμωξιολογική ΒιολογίαΤο επίκεντρο της έρευνας του Ινστιτούτου στη Γερμανία, είναι μια από τις ερευνήτριες που έθεσαν τα θεμέλια για την ανάπτυξη της συγκεκριμένης τεχνολογίας. Από την άλλη η Sheila JasanoffΤο βιογραφικό της κας Jasanoff είναι διευθύντρια του προγράμματοςΗ αποστολή του προγράμματος Επιστήμης, Τεχνολογίας και Κοινωνίας στη Σχολή Διακυβέρνησης John F. Kennedy του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ, και ειδική σε θέματα αλληλεπίδρασης μεταξύ νόμου, επιστήμης και πολιτικής σε δημοκρατικές κοινωνίες. Η πρώτη βλέπει το Κρίσπερ μέσα από το πρίσμα της προόδου της επιστήμης και των ακαταμάχητων ευκαιριών που μπορεί να προσφέρει στην επιστημονική έρευνα και στην ανθρώπινη υγεία. Η δεύτερη αναγνωρίζει μεν την επανάσταση που αυτό φέρνει, αλλά συγχρόνως κρούει τον κώδωνα του κινδύνου προς κυβερνήσεις και ρυθμιστικούς οργανισμούς, επισημαίνοντας ότι σε αυτόν τον αγώνα δρόμου δεν έχουν την πολυτέλεια να έρθουν δεύτεροι.

«Το Κρίσπερ είναι ένα προγραμματιζόμενο ψαλίδι για το κόψιμο του DNA», είπε χαρακτηριστικά η Δρ Charpentier στην τελετή έναρξης του συνεδρίου. «Αποτελεί την μεγαλύτερη εξέλιξη στις ανθρώπινες γενετικές ασθένειες και γονιδιακές θεραπείες».

«Μεταφορικά, γίνεται ευρεία χρήση της λέξης “επεξεργασία” (editing) του DNA, και μπορώ να πω ότι αυτό κάπως με ενοχλεί, γιατί προϋποθέτει ότι γνωρίζουμε ποιο είναι ακριβώς το κείμενο», είπε η Δρ Jasanoff. «Θα έπρεπε να είμαστε πιο ταπεινοί όσο αφορά το βάθος των γνώσεών μας σχετικά με τον γενετικό κώδικα, μιας και αλληλεπιδράσεις μεταξύ γονιδίων μπορεί να επηρεάσουν τη δομή του DNA».

Μια έτσι κι αλλιώς συνταρακτική ανακάλυψη

H πρωτεΐνη Cas9. [NIH 3D Print Exchange, National Institutes of Health]

Η τεχνολογία CRISPR-Cas9 θα μπορούσε κανείς να πει πως μάλλον ανακαλύφθηκε παρά εφευρέθηκε. Στη φύση απαντάται στα βακτήρια και αποτελεί έναν από τους αμυντικούς τους μηχανισμούς. Το βακτήριο, ως ένας μονοκύτταρος οργανισμός που δεν διαθέτει περίπλοκο ανοσοποιητικό σύστημα, για να προστατευτεί το ίδιο και οι απόγονοί του από έναν ιό, κλέβει από τον ιό-εισβολέα ένα μικρό τμήμα του γενετικού του υλικού και το ενσωματώνει στο δικό του. Αυτά τα τμήματα DNA των εισβολέων υπενθυμίζουν στο βακτήριο ποιους πρέπει να φοβάται, και το βοηθούν να προετοιμαστεί, φτιάχνοντας μικρές ακολουθίες DNA που μπορούν να κόψουν το DNA των ιών-εισβολέων, καθιστώντας τους συνεπώς ακίνδυνους για το βακτήριο.

Παρόλα αυτά, τίποτα από τα παραπάνω δεν θα μπορούσε να συμβεί χωρίς την παρουσία μιας πρωτεΐνης, της Cas9, η οποία είναι εκείνη που ψάχνει, κόβει και αδρανοποιεί το DNA των ιών. Όταν η επιστημονική ομάδα της Δρ Charpentier μαζί με εκείνη της Δρ Jennifer Doudna από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια διαπίστωσαν ότι μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτή τη φυσική λειτουργία των βακτηρίων ως μια τεχνολογία γενετικής μηχανικής, διαγράφοντας και προσθέτοντας τμήματα DNA σε κύτταρα, και όλα αυτά με εκπληκτική ακρίβεια, άνοιξαν άπειρες δυνατότητες.

H Emmanuelle Charpentier και η Jennifer Doudna μπροστά από ένα γονιδίωμα που έχουν ζωγραφίσει παιδιά. [MIGUEL RIOPA / AFP]

Μα, δεν υπάρχουν ήδη τα μεταλλαγμένα;

Πράγματι, εδώ και τέσσερις δεκαετίες υπάρχει ήδη η τεχνολογία που μας επιτρέπει να αλλάξουμε το DNA των οργανισμών. Αν όμως τολμούσαμε μια σύγκριση, θα λέγαμε ότι είναι κάτι σαν τις άμαξες, που υπήρχαν πριν από τα αυτοκίνητα.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1970 οι Αμερικάνοι βιοχημικοί Herbert Boyer και Stanley Cohen πέτυχανSpecial Report: The birth of biotechnology | Nature το αδιανόητο: δημιούργησαν μια τεχνική που τους επέτρεπε να αποκόβουν τμήματα DNA από έναν οργανισμό και να επικολλούν τμήματα DNA από άλλους οργανισμούς. Η τεχνική του «ανασυνδυασμένου DNA», όπως έγινε γνωστή, αποτέλεσε την πρώτη τεχνολογία τροποποίησης του γενετικού κώδικα και εκείνη που έβαλε τα θεμέλια για την παραγωγή Γενετικά Τροποποιημένων Οργανισμών. Η τεχνολογία αυτή προϋποθέτει τη σύνθεση του DNA σε δοκιμαστικό σωλήνα και στη συνέχεια την εισαγωγή του στον οργανισμό-ξενιστή. Εκτός από τον συγκεκριμένο περιορισμό, η μέθοδος αυτή έπασχε και από έλλειψη ακρίβειας, με αποτέλεσμα να μην καθιστά δυνατή την τροποποίηση του DNA ακριβώς στο επιθυμητό σημείο. Δεδομένου ότι τέτοιες ακούσιες αλλαγές θα μπορούσαν να αποδειχθούν επικίνδυνες, η τεχνολογία αυτή δεν μπορούσε να εφαρμοστεί για την διόρθωση DNA μέσα σε ζώντα ανθρώπινα κύτταρα.

Το 2011 μια νέα τεχνολογίαΤο σχετικό άρθρο είναι διαθέσιμο επί πληρωμή επέτρεψε την αποτελεσματική αφαίρεση γονιδίων μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο. Όμως η μέθοδος γενετικής τροποποίησης TALENΠερισσότερα για τη μέθοδο TALEN | talengineering.org απαιτεί τη χρήση γενετικής μηχανικής για την δημιουργία δύο πρωτεϊνών· μια επίπονη, χρονοβόρα και ακριβή διαδικασία.

Αυτό ακριβώς το κενό ήρθε να καλύψει το 2012 η «φτηνή, εύκολη στη χρήση, εξαιρετικά αποτελεσματική και πολυχρηστική τεχνολογία CRISPR-Cas9», που παράλληλα επιτρέπει την γενετική τροποποίηση μέσα σε ζωντανά κύτταρα, όπως εξήγησε η Δρ Charpentier.

Άνοιξε ο ασκός του Αιόλου;

Μόλις τέσσερα χρόνια μετά τη δημοσίευσηΣτο κορυφαίο παγκόσμια περιοδικό Science των ευρημάτων της ομάδας Charpentier-Doudna, σήμερα εργαστήρια σε κάθε γωνιά του κόσμου την έχουν υιοθετήσει, με εφαρμογές σε ζώα, φυτά, μύκητες, βακτήρια, μέχρι και στους ανθρώπους. Άλλοι ελπίζουν να θεραπεύσουν τον καρκίνο, άλλοι αιματολογικές ασθένειες και άλλοι διαταραχές του ανοσοποιητικού συστήματος. Άλλοι πηγαίνουν και μερικά βήματα πιο πέρα προσπαθώντας, προς το παρόν μόνο πειραματικά, να διορθώσουν το DNA εμβρύων που φέρουν επιβλαβή γονίδια, όπως αυτό της Νόσου του Χάντινγκτον, μιας κληρονομικής νευροεκφυλιστικής γενετικής διαταραχής. Τέτοιες όμως αλλαγές που επηρεάζουν την βλαστική σειρά του ανθρώπινου είδους –από την οποία προέρχονται τα ωάρια και τα σπερματοζωάρια, δημιουργώντας χαρακτηριστικά που μπορούν να περάσουν από γενιά σε γενιά– μπορούν από τη μια να προσφέρουν θεραπευτικά οφέλη, από την άλλη όμως εγείρουν ηθικούς προβληματισμούς.

CRISPR-Cas9 editing of the genome. [Ernesto del Aguila III, National Human Genome Research Institute, National Institutes of Health]

Πώς, αλλά και ποιος, θέτει την κόκκινη γραμμή επιτρέποντας την διόρθωση ασθενειών και όχι την παραγγελία χαρακτηριστικών; Τα «μωρά κατά παραγγελία» που μέχρι πρόσφατα μας ανησυχούσαν μόνο σε θεωρητικό επίπεδο, το Κρίσπερ μπορεί εύκολα να τα κάνει πραγματικότητα. Έρευνες που πριν τέσσερα χρόνια απαιτούσαν τη χρήση ενός προηγμένου εργαστηρίου μοριακής γενετικής, σήμερα, χάρη στο Κρίσπερ, μπορούν να πραγματοποιηθούν από έναν μαθητή λυκείου, είχε πει χαρακτηριστικά ο Matthew PorteusΤο Porteus Lab ασχολείται με τη βιοϊατρική έρευνα από το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ, ένας από τους πρωτοπόρους στην τροποποίηση γονιδίων.

Η Ελλάδα είναι μια από τις ελάχιστες χώρες της Ευρώπης όπου η νομοθεσίαΈνα άρθρο για το διεθνές ρυθμιστικό πεδίο και τα ηθικά και κοινωνικά ζητήματα που ανακύπτουν σχετικά με τη διόρθωση του DNA μέσω εξωσωματικής γονιμοποίησης είναι ακόμα ασαφής. Την ίδια στιγμή η πλειοψηφία των χωρών της Ευρώπης απαγορεύει δια νόμου την τροποποίηση γονιδίων που μπορούν να περάσουν στην επόμενη γενιά.

O χάρτης κατηγοριοποιεί τις χώρες ανάλογα με τη νομοθεσία τους για την τροποποίηση ανθρώπινων γονιδίων. [Reproductive Biology and Endocrinology]

Παρόλα αυτά, στο εργαστήριο, οι επιστήμονες έχουν ήδη τροποποιήσει γονίδια ανθρώπινων εμβρύων, τα οποία όμως δεν θα οδηγούσαν σε γέννηση παιδιού. Πρώτοι, τον Απρίλιο του 2015, Κινέζοι επιστήμονες προσπάθησαν να τροποποιήσουν το συγκεκριμένο γονίδιο που ευθύνεται για την κληρονομική διαταραχή β-θαλασσαιμία (μια διαδεδομένη μορφή Μεσογειακής Αναιμίας). Πριν από λίγους μήνες η Βρετανία και η Σουηδία έδωσαν άδεια για παρόμοια πειράματα σε ανθρώπινα έμβρυα για ερευνητικούς σκοπούς.

Το θαύμα και η απειλή της γονιδιωματικής καθοδήγησης

«Το γεγονός ότι μπορούμε να κάνουμε κάτι, δεν σημαίνει ότι οφείλουμε και να το κάνουμε», λέει η Δρ Charpentier. Σύμφωνα με τις Charpentier και Doudna, η σημαντικότερη κόκκινη γραμμή που δεν πρέπει να περάσει η επιστήμη είναι εκείνη της γονιδιωματικής καθοδήγησης (gene-drive). Η ιδέα είναι απλή: μία παράκαμψη των παραδοσιακών κανόνων της γενετικής κληρονομικότητας. Ωστόσο, πριν από το CRIPSR οι επιστήμονες δεν είχαν στα χέρια τους το εργαλείο για να την πραγματοποιήσουν. Τώρα είναι πια εύκολο να αλλάξει κανείς μόνιμα τη γενετική μοίρα των ειδών, διαδίδοντας σε έναν πληθυσμό μια γενετική αλλαγή μέσω της αναπαραγωγής.

Στην περίπτωση των κουνουπιών που μεταφέρουν τον ιό Ζίκα, έχει ήδη προταθεί να απελευθερωθούν στη φύση κουνούπια που θα οδηγήσουν στον αφανισμό του είδους. Δεν άργησαν να μπουν στα σκαριά ανάλογα πλάνα και για την εξάλειψη των κουνουπιών-φορέων του παρασίτου της ελονοσίας. «Δεν θα προέτρεπα την απελευθέρωση τέτοιων οργανισμών στη φύση», ανέφερε η Δρ Charpentier. Η Δρ Doudna συμφωνεί ότι «παρότι είναι πολύ δελεαστικό να καταφέρουμε να ξεφορτωθούμε τα κουνούπια χωρίς τη χρήση χημικών, οι περιβαλλοντικοί κίνδυνοι από μια τέτοια παρέμβαση είναι πολύ σοβαροί. Η γονιδιωματική καθοδήγηση έχει πολλούς εχθρούς και όχι αναιτιολόγητα. Μέχρι να εφαρμοστεί δεν μπορούμε να γνωρίζουμε το εύρος των επιπτώσεων, και όταν τις διαπιστώσουμε, θα είναι πλέον αργά για να κάνουμε πίσω».

«Όλοι οι επιστήμονες που κάνουμε γενετική μηχανική ακόμα και σε βακτήρια χρειάζεται να δικαιολογούμε την έρευνα που διενεργούμε. Παραδείγματος χάρη, στο εργαστήριό μας χρειάζεται να συνεργαστούμε με έναν ρυθμιστικό οργανισμό για να πάρουμε την άδεια να επεξεργαστούμε ορισμένα γονίδια», εξήγησε η Δρ Charpentier που διενεργεί την έρευνά της στη Γερμανία. Παρόλα αυτά, η Δρ Jasanoff τονίζει ότι «δεν υπάρχουν ουσιαστικές συμφωνίες μεταξύ των χωρών του κόσμου για το είδος των ρυθμιστικών πλαισίων που πρέπει να εφαρμοστούν στην περίπτωση της επεξεργασίας γονιδίων».

«Επιβάλλεται να αφιερώσουμε περισσότερη σκέψη στο τι σημαίνει να διαταράσσει κανείς την βασική βιολογία των ανθρώπινων οργανισμών και των φυσικών συστημάτων», λέει η Δρ Jasanoff. Και προσθέτει: «Από ένα τέτοιο σημείο εκκίνησης, επιβάλλεται να αφιερώσουμε και περισσότερη σκέψη στο μέλλον που θα θέλαμε να δημιουργήσουμε».

Πηγή: insidestory.gr (εδώ)