Редактирование генома

Нобелевскую премию по химии в 2020 году разделили биохимик Дженнифер Дудна и микробиолог Эммануэль Шарпентье за открытие технологии редактирования генома CRISPR-Cas9. Имена лауреатов были объявлены на церемонии Нобелевского комитета в Стокгольме.

Саму по себе систему CRISPR-Cas9 «придумали» бактерии — так они защищаются от вирусов. CRISPR — это группа белков и ДНК, играющих у бактерий роль иммунитета.

Когда вирус инфицирует бактерию, CRISPR-Cas9 вырезает фрагмент чужеродной ДНК и сохраняет в геноме бактерии. Столкнувшись с вирусом в следующий раз, бактерия уже сможет его узнать и защититься от него.

«То, что премию присудят Дудне и вообще дадут за CRISPR, я предсказывал последние два года, но предсказания не сбывались, — рассказал «Газете.Ru» кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН Александ Панчин. — С третьей попытки сбылось. Это довольно очевидное открытие, за которое должны были дать Нобелевскую премию. За «криспами» стоит очень много людей — те, кто обнаружили последовательности у бактерий, те, кто поняли, для чего они нужны, те, кто сделали «криспы», те кто придумал их использовать в различных приложениях».

Как часто бывает в науке, это открытие стало неожиданным. Исследуя стрептококки, Шарпентье обнаружила ранее неизвестную молекулу — tracrRNA. Дальнейшее ее изучение показало, что tracrRNA — это часть древней иммунной системы бактерий, которая обезвреживает вирусы, расщепляя их ДНК.

Шарпентье сообщила о своем открытии в 2011 году. Тогда же она начала сотрудничать с Дженнифер Дудной, опытным биохимиком с обширными знаниями в области РНК. Вместе им удалось воссоздать генетические ножницы бактерий в пробирке и упростить их для более легкого использования.

Наконец, им удалось перепрограммировать систему.

В своей естественной форме «ножницы» распознают ДНК вирусов, но Шарпентье и Дудна доказали, что с их помощью можно разрезать любую молекулу ДНК на заранее определенном участке. А затем добавить необходимые фрагменты.

С момента открытия CRISPR-Cas9 стал чрезвычайно популярен в качестве инструмента редактирования генома. С его помощью удалось создать злаки, способные противостоять плесени, вредителям и засухе, продвинуться в лечении рака и других тяжелых заболеваний и даже сделать шаг в сторону избавления от генетических болезней.

«В этом инструменте заложена огромная сила, которая влияет на всех нас. Он не только произвел революцию в фундаментальной науке, но и позволил создать новые сельскохозяйственные культуры, а в будущем приведет к новаторским методам лечения заболеваний», — говорит Клас Густафссон, председатель Нобелевского комитета, работающего над премиями по химии.

«По одной из версий, почему так долго не давали нобелевку за CRISPR, Нобелевский комитет не хотел влиять на историю патентования — хотели сначала разрешить этот вопрос, — добавляет Панчин.

CRISPR — очень современный метод генной инженерии, который позволяет точечно вставлять мутации в геном, некий аналог контекстной замены в Microsoft Word. И с тех пор, как его придумали, нашли кучу способов, как его модифицировать. Как повысить его точность, сделать так, чтобы генетическое изменение передавалось не только половине потомков, но и всем потомкам. Как использовать CRISPR, чтобы что-то метить, а не редактировать».

Специалисты компании Clarivate Analytics, анализирующей цитируемость статей в научной базе данных Web of Science, прогнозировали присуждение Нобелевской премии по химии за исследования в области нанокристаллов. Хен Тэ Хван из Национального Университета Сеула разработал относительно недорогой метод создания нанокристаллов переходных металлов, которые можно применять, например, в качестве контрастного вещества при МРТ. Кристофер Мюррей из Университета Пенсильвании и Маунги Бавенди из Массачусетского технологического института придумали, как получать полупроводниковые нанокристаллы, или квантовые точки заданного размера.

Исследователи продолжают развивать методы их синтеза и применения в оптике и биомедицинской визуализации, а также занимаются усовершенствованием свойств нанокристаллов.

Еще одной парой кандидатов были Стивен Бухвальд из Массачусетского технологического института и Джон Хартвиг из Калифорнийского университета. Используя палладий как катализатор, они смогли присоединить аминогруппу к ароматическому кольцу. Этот способ был назван в честь его создателей — реакция Бухвальда-Хартвига. Это не первый метод связывания атомов азота и углерода, но большинство предшественников плохо работали с ароматическими соединениями. Реакция Бухвальда-Хартвига позволила синтезировать в лабораторных условиях многие природные алкалоиды.

И, наконец, премия могла достаться Макото Фудзите из Токийского университета, который специализируется в области супрамолекулярной химии комплексных соединений. Его работы посвящены самосборке органических молекул в крупные, скрепленные атомами металлов пористые комплексы — молекулярные контейнеры.