CRISPR vysvetlil: najmocnejšie nožnice na svete

Svet genetiky bol od svojho vstupu do verejného zeitgeist v 20. storočí rovnocenným prísľubom a kontroverziou. Najmä genetické inžinierstvo bolo tak utopené v zvádzaní a nepokoji, že ho niektorí považovali za čiernu mágiu. Prominentní jedinci inak zdravého myslenia často vyhlasujú úmyselnú zmenu DNA, najmä ľudskej DNA, za etický náhražka. 

Ľudia používali genetické inžinierstvo po tisícročia

Takéto paušálne odsúdenia odrážajú svet, ktorý neexistoval už tisícročia. Najzrejmejším príkladom sú potraviny, konkrétne GMO odrody. Tieto masívne, živé, šťavnaté jablká Red Delicious, ktoré odlietajú z regálov s potravinami, sú odchýlkou ​​v porovnaní s ich predľudskými predkami.

Krížením špecifických odrôd jabĺk sa ľuďom podarilo rozmnožiť gény, ktoré viedli k preferovaným fenotypom (fyzickým prejavom). Ešte dôležitejšie je, že výber verzií základných potravín odolných voči suchu, ako je obilie a ryža, zachránil mnohé veľké civilizácie pred kolapsom spôsobeným hladom. 

Domáce zvieratá poskytujú ešte výraznejší kontrast. Vlci sú draví, teritoriálny predátori. Sú to až 180 libier čistého teroru, s ktorými by len málo ľudí dokázalo najlepšie bojovať v súboji. Teacup Pomeranians, na rozdiel od toho, váži osem libier premočený, a každý človek, ktorý prehrá boj s jedným, nie je hodný odovzdať jeho alebo jej genetický materiál.

To, že jeden z najschopnejších lovcov sveta bol zredukovaný na dýchajúceho chumáča, je dôkazom milostného vzťahu celého ľudstva so zámerne pozmenenou DNA. Medzi spoločné črty, ktoré spoločnosť vyberá medzi zvieratami, patrí poslušnosť, poslušnosť, sila a, samozrejme, vkus. 

Napriek tomu je to myšlienka zmeny ľudskej DNA, ktorá skutočne zanecháva čeľuste otvorené a nohavičky v trsoch. Vznešené ideály raného amerického eugenického hnutia poskytli bezpečný prístav pre obhajobu rasovej nadvlády, ktorá sa v Tretej ríši zmenila a dosiahla desivé vyvrcholenie. 

Napriek tomu je cieľavedomé pestovanie žiaducich génov v liberálnej spoločnosti samozrejmosťou. Najzrejmejším príkladom je potrat, ktorý je legálny vo väčšine západných spoločností. Je nemožné tvrdiť, že ľudia nemajú preferencie pre určité genómy vo svete, kde je približne deväťdesiat percent plodov s Downovým syndrómom potratených.

V Spojených štátoch súdy uznali geneticky podmienený potrat za ústavné právo: lekári, ktorí skrývajú genetické poruchy medzi plodmi v obave, že matka potratí, boli sankcionovaní.

Zámerná zmena DNA jednotlivca nie je to isté ako uľahčenie určitých génov v priebehu mnohých generácií. Dokonca aj kedysi radikálne procesy vytvárania GMO (geneticky modifikovaných organizmov) vám umožňujú iba vkladať existujúce gény do iných druhov, na rozdiel od navrhovania nových. Je však jasné, že ľudia uprednostňujú určité gény pred inými a prijmú drastické opatrenia, aby sa tieto gény stali bežnejšími. Prvý ponúka iba rýchlejší a presnejší spôsob dosiahnutia cieľov druhého. 

Metóda šikovnej zmeny genetického materiálu sa ľudstvu dlho vyhýbala kvôli intenzívnej zložitosti biochemických reakcií obklopujúcich DNA, ako aj úbohej škále nástrojov, ktoré sú účinné v takom mikroskopickom meradle. Konkrétne metóda rezania DNA na presných miestach, aby bolo možné nahradiť malé segmenty, bola nepolapiteľná.

Prielom v roku 2015 to všetko zmenil; tento prelom teraz umožňuje ľuďom zbaviť sa tejto dlhotrvajúcej nedostatočnosti. Čaká nás svet možností a potenciál na rozsiahle preskupenie našich tiel, nášho okolia a dokonca aj našich ekonomík je na palube. 

CRISPR: Najmocnejšie nožnice v histórii

(Poznámka: ak dokážete pomenovať všetky hlavné organely bunky a viac ako tri typy RNA z vrchu hlavy, pravdepodobne vám bude nasledujúce vysvetlenie pripadať príliš zjednodušené. Ak máte základné znalosti o tom, čo je DNA a RNA, toto bude vysvetlenie Zlatovlásky. Ak neviete, čo je RNA, predstavte si to ako staršieho brata DNA, ktorý však aj tak skončil ako poslíček DNA.) 

Tento prielom sa skrýva pod názvom CRISPR/CAS9, zvyčajne skrátené len na CRISPR. Táto inovatívna metóda, vyslovená ako v „Prial by som si, aby bol môj toast chrumkavejší“, je skratka pre Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Zdá sa vám to ako sústo? To je. Vysajte to. Také boli „teórie všeobecnej a špeciálnej relativity“, ako aj „deoxyribonukleová kyselina“. Priekopnícke objavy majú často dlhé názvy; Pri riešení futuristických technológií sa odporúča nosiť veľké chlapčenské/veľké dievčenské nohavice.

Hoci je zmenená DNA umelá, obe zložky CRISPR sa vyskytujú prirodzene. Vo svojom jadre využíva výhody imunitného systému, ktorý je základom všetkých živých buniek. Zvážte toto: imunitný systém je mimoriadne zložitý, najmä ľudský, ale v 99 % prípadov nie je jediný vírus schopný infikovať tú istú osobu pri dvoch rôznych príležitostiach.

Je to preto, že vlákna vírusovej DNA sú uložené a „zapamätané“ v bunkách po prvom stretnutí. V dvadsiatom storočí vedci zistili, že určité formy baktérií vkladajú tieto fragmenty DNA medzi krátke opakujúce sa vlákna párov báz, ktoré sú tiež palindromické: CRISPR. Časti vírusu sú teraz trvalo zabudované do genómu baktérie. A vy ste si mysleli, že ste dobrý v držaní zášti. 

Predstavte si, že bakteriofág (vírus, ktorý sa zameriava na baktérie na rozdiel od mnohobunkových organizmov, ako sú ľudia), rozdrví Barryho baktérie, ale nezabije ho. O týždeň neskôr sa Phil the Phage vracia do 2. kola. Aj keď Barry vidí Phila, ako ho prepadne, nemôže poslať biele krvinky, aby išiel zbiť Phila, pretože žiadne nemá. Bakteriálny imunitný systém používa iný prístup.

Tu vstupuje do hry Cas9, druhá polovica systému CRISPR. Cas9, čo je skratka pre proteín 9 spojený s CRISPR, skenuje cudziu DNA, s ktorou sa stretne, a kontroluje, či sa niektorá z nich zhoduje s vírusovou DNA, ktorú má uloženú medzi CRISPR. Ak áno, Cas9 spustí endonukleázu, tiež známu ako reštrikčný enzým, aby odrezala Philovi ruku alebo nohu alebo dokonca hlavu. Bez ohľadu na segment, strata takej veľkej časti ich genetického kódu takmer vždy spôsobí, že vírus nebude schopný vykonať svoje predátorské zámery.

Ľudské imunitné systémy vyhrávajú bitky proti vírusom tým, že posielajú do boja najlepších mikroskopických bojovníkov evolúcie, ktorí sú vybavení neuveriteľne presnými popismi vzhľadu a taktiky nepriateľa. Bakteriálny prístup je skôr podobný zachyteniu pokynov veliteľa jeho pešiakom. „Zaútočte na brány za úsvitu“ sa zmení na „Zaútočte na [Prázdno] pri [Prázdne]“ a vpád zlyhá. 

Nakoniec vedci zistili, že prakticky každý živý organizmus má prvky CRISPR aj Cas9. Môže sa to zdať šokujúce, ale v skutočnosti je to celkom triviálne, keďže každý živý tvor pochádza z baktérií. V týchto organizmoch sú CRISPR podobné starodávnej knižnici, ktorú sa mesto nikdy neobťažovalo zbúrať, a Cas9 je jedným z najmenej dôležitých reštrikčných enzýmov.

Napriek tomu sú tam, fungujú a čo je najlepšie, ukázalo sa, že sú veľmi nediskriminačné: vedci ich mohli nakŕmiť časťami DNA, ktoré nemali nič spoločné s vírusmi, a CRISPR by ich lojálne zaznamenal a Cas9 by verne robil rezy. . Zrazu sme mali v rukách Božie nožnice, ktoré fungovali prakticky na akýkoľvek typ DNA, ktorý sme vyskúšali: potraviny, zvieratá, choroby a človek. 

Hoci sa táto metóda popularizuje ako „CRISPR“, je to kombinácia CRISPR a Cas9, ktorá je taká absurdne silná. Ako už bolo spomenuté, existuje množstvo predtým objavených reštrikčných enzýmov alebo DNA nožníc. CRISPR je však prvou metódou, ktorú ľudia dokázali s vysokou presnosťou kontrolovať, kde nožnice strihajú. 

CRISPR sú v podstate krátke segmenty DNA, ktoré slúžia ako záložky alebo ako dva znaky, ktoré hovoria „Začnite rezať tu“ a „Tu prestaňte rezať“. Cas9 je proteín, ktorý dokáže čítať CRISPR a uvoľňovať enzým na rezanie v oboch priestoroch označených záložkami.

Čo dokáže CRISPR?

Zlato, čo nemôže CRISPR robiť? Existujú dve hlavné kategórie aplikácií tejto technológie: zlý genetický materiál nájdený v rakovine možno nahradiť opravenou sekvenciou DNA, aby sa eliminovali škodlivé mutácie, a môže sa použiť na zlepšenie určitých fenotypových aspektov.

CRISPR je vzrušujúce, pretože je to sotva batoľa vo veku a napriek tomu už skočil z laboratória na kliniku. Autori štúdie z roku 2015, ktorá sa objavila v príroda mohli ste odstrániť 48 % genetického materiálu HIV z buniek postihnutých HIV pomocou CRISPR. Pokiaľ však ide o rakovinu, CRISPR už urobil skok z Petriho misky k ľuďom: v júni, NIH schválila prvú štúdiu T-buniek vytvorených prostredníctvom CRISPR.

Štúdia sa zameriava na prevenciu recidívy rakoviny. Ako každý s priateľmi alebo rodinou, ktorí bojovali s rakovinou (čo je, žiaľ, väčšina ľudí), vie, byť vyhlásený za bez rakoviny neznamená byť vyliečený. Nasledujúcich päť až desať rokov nezostáva nič iné, len čakať a zistiť, či nejaké minúty rakoviny neunikli liečbe a čakajú na šancu vyrásť. T-bunky CRISPR majú do svojho genómu vloženú rakovinovú DNA, čo im dáva ekvivalent hypervíznych okuliarov, pomocou ktorých možno hľadať cisára všetkých chorôb.

HIV a rakovina sú dvaja z najstrašnejších Goliášov patologickej medicíny. A predsa porovnávanie CRISPR s Davidom je nedostatočná metafora. David bol prinajmenšom dospelý, zatiaľ čo CRISPR je sotva batoľa a toto batoľa už strieľa na bránku proti týmto najvytrvalejším nepriateľom ľudstva.

Samozrejme, väčšina ľudí netrávi svoj život neustálym potácaním sa medzi HIV a rakovinou. Bežnejšie choroby s oveľa menšou zložitosťou, ako sú prechladnutie a chrípka, sa ľahšie dostanú pod ruky T-buniek na chrumkavých steroidoch.

Vystrihnutie zlej DNA je dobré, ale potenciál CRISPR skutočne spočíva v oprave chybnej DNA. Akonáhle je DNA narezaná na správnom mieste a zmutovaná časť je odstránená, je celkom jednoduché použiť DNA polymerázy na spojenie správnej DNA dohromady.

Najčastejšie genetické postihnutie v Spojených štátoch sú hemochromatóza (príliš veľa železa v krvi), cystická fibróza, Huntingtonova choroba a Downov syndróm. Opravy segmentov DNA, ktoré spôsobujú choroby, by mohli zabrániť obrovskému množstvu ľudského utrpenia. Navyše, ekonomické výhody by boli veľkolepé: fiškálni konzervatívci by sa potešili úspore 83 miliónov dolárov, ktoré NIH ročne vynakladá len na cystickú fibrózu; liberáli by mali možnosť opätovne investovať tieto sumy do sociálneho zabezpečenia.

Pre tých, ktorí nájdu Down Štatistika potratovosti syndrómu rušivé, úpravy CRISPR by mohli byť vhodným kompromisom, ktorý by zachránil život plodu a zároveň zachoval právo matky nepriviesť na svet ťažko postihnuté dieťa.

Svet biotechnológií je už očarený CRISPR. Samotný GMO potravinársky priemysel má už teraz hodnotu miliárd dolárov ročne s metódami, ktoré sú v porovnaní s CRISPR dosť drsné. GMO spoločnosti ako Monsanto vylepšili nespočetné množstvo potravín vložením celých génov, ktoré podporujú odolnosť, veľkosť a chuť z iných potravín.

Teraz je lov na lapač génov u konca a biotechnologické spoločnosti môžu navrhnúť dokonalý gén na vloženie. Je pravdepodobné, že v priebehu niekoľkých nasledujúcich desaťročí sa Red Delicious bude musieť vzdať svojej nadvlády produktu podľa vzoru Červeného orgazmu alebo Červeného duchovného zážitku.

Obchodné a politické dôsledky

CRISPR má tiež rušivé a demokratizačné dôsledky. Úpravy génov v roku 2010 boli ako počítače v sedemdesiatych rokoch. Existujú, ale sú nemotorné a smiešne drahé. Napriek tomu je produkt taký cenný, že spoločnosti dostatočne veľké na to, aby si ich mohli dovoliť, získavajú obrovskú trhovú výhodu.

To je dôvod, prečo spoločnosti ako Monsanto dokázali získať takmer monopolné postavenie v oblasti GMO. CRISPR urobí s genetickým inžinierstvom to, čo osobné počítače urobili so softvérom v 1980. rokoch; to znamená výrazne zlepšiť technológiu a zároveň ju urobiť tak lacnou, že ju môžu využívať malé podniky a jednotlivci. Či už ste študent biológie, amatérsky biohacker alebo začínajúci podnikateľ, súpravu CRISPR si môžete kúpiť na internete za pár stoviek dolárov.

Preto by mal CRISPR veľmi znervózňovať biotechnologické giganty ako Monsanto. Milióny ľudí, ktorí chcú podkopať alebo prekonať spoločnosť, dostali dýku.

Niektorí ľudia sú proti spoločnosti Monsanto, pretože sú proti GMO. Vo vedeckej komunite sa takýmto hlasom príliš nedôveruje: GMO sa považujú za celkom bezpečné, jedia ich prakticky každý a GMO odolné voči suchu/zvyšovaniu úrody, ktoré podporilo „zelenú revolúciu“ v Afrike a Indii v 1970. rokoch minulého storočia, zachránili stovky ľudí. miliónov ľudí od hladu.

Mnoho ľudí, ktorí podporujú GMO, je však proti Monsantu kvôli jeho monopolistickým obchodným praktikám a pokusom prinútiť chudobných farmárov, aby používali jeho semená. Pred CRISPR mohli urobiť len málo, pokiaľ nemali voľných sto miliónov dolárov na spustenie štartu genetického inžinierstva. Ich rafinovanejšie argumenty mali tendenciu byť prehlušené davom „GMO vám vypadnú zuby a dajú vašim deťom autizmus“, čo spoločnosti Monsanto umožnilo delegitimizovať svoju opozíciu tým, že to označilo za nevedecké.

Relatívna cenová dostupnosť CRISPR teraz umožní GMO a oblasť genetického inžinierstva získať späť demokraticky zmýšľajúcimi, mladými, strednou triedou, tými, ktorí veria, že prísna konkurencia medzi podnikmi prináša rýchlejší pokrok a zdravšiu ekonomiku. než skostnatené monopoly.

Etika a iné problémy

Etické problémy genetického inžinierstva sú potenciálne obrovské. Možnosť navrhnúť supervírus, ktorý má vo svojom genóme prepísané prvky ľudského imunitného systému, nemožno zavrhnúť. Toto je znepokojujúca perspektíva; obrátilo by to normálnu paradigmu a bolo by podobné vírus očkovaný proti imunitnému systému. „Dizajnérske deti“ by mohli viesť k oživeniu eugeniky a pretekom v ľudskom zbrojení, v ktorých sú civilizácie uzavreté v neustálom boji o vytvorenie najinteligentnejších a bezohľadných občanov.

Toto sú však problémy s budúcimi schopnosťami genetického inžinierstva, nie so súčasnou realitou CRISPR. Nateraz nie je možné realizovať žiadnu z hlavných etických obáv, najmä kvôli nášmu obmedzenému chápaniu našej vlastnej biológie. CRISPR znamená, že ak by sme mali plán na vytvorenie spomínaného supervírusu, pravdepodobne by sme to dokázali. Naše znalosti o imunitnom systéme sú však príliš obmedzené na to, aby sme implementovali vírus, ktorý by ho mohol obísť.

Podobne nadnesené sú aj obavy o dizajnérske baby. Po prvé, spájanie genetického inžinierstva s eugenikou je nebezpečné a nesprávne. Eugenika je veda o odpadkoch. Eugenika sa opiera o sfalšované predpoklady, že vlastnosti ako inteligencia a sila sú hlavne dedičné, na rozdiel od jemného moderného konsenzu, že 1) tieto vlastnosti sú extrémne zle definované a 2) pochádzajú z komplexnej interakcie genóm (nielen pár jednotlivých génov).

Posadnutosť väčšiny eugenikov promulgáciou bielej rasy ukazuje, že hnutie nie je ničím iným ako pokusom dať starým rasistickým myšlienkam pseudovedecký nádych legitimity. Veď samotná biela „rasa“ je sociálnym konštruktom, na rozdiel od biologickej reality.

Ešte dôležitejšie je, že eugenici dôsledne argumentovali za presadzovanie „čistejších“ génov silou. V Amerike 1920. rokov to znamenalo sterilizáciu všetkých od duševne chorých po sexuálne promiskuitných a v Nemecku 1940. rokov to znamenalo popravy miliónov nevinných. Napriek tomu, že Tretia ríša popravila väčšinu diagnostikovaných schizofrenikov, dnešné Nemecko nevykazuje žiadnu odchýlku v prevahe schizofrénie od svojich susedov.

To znamená, že maľovanie genetických inžinierov ako eugenikov špiní dobré meno vedcov, ktorí pracujú na zlepšení osudu všetko ľudí, a zároveň dáva eugenikom dokonalú príležitosť na návrat tým, že sa pripútajú k najvzrušujúcejšiemu vynálezu vo vede práve teraz. Inžinieri CRISPR nepodporujú bláznivé rasové teórie a chcú vám ich poskytnúť viac voľnosti, viac voľba, s ktorou žiť svoj život.

Nie, CRISPR nepovedie k tomu, že rodičia zo svojich detí vytvoria homosexualitu. „Gén pre homosexuálov“ je úžasne výstižnou metaforou na vyjadrenie myšlienky, že homosexualita nie je voľba. Ako skutočné zobrazenie reality však ponúka málo. Ľudská sexualita je séria komplexných, vzájomne prepojených správaní, ktoré majú genetické aj environmentálne základy. Skutočnosť, že homofóbni rodičia nepotratia deti, z ktorých sa neskôr stanú homosexuáli, dokazuje, že neexistuje žiadny „gén pre homosexuálov“ dostatočne jednoduchý na to, aby ho CRISPR dokázala zmeniť na heterosexualitu.

Podobne je chybné zdôvodnenie strachu z „explózie inteligencie embrya“ prostredníctvom CRISPR. Ľudská inteligencia je korunným klenotom Zeme a dosť možno aj celej slnečnej sústavy. Je taký zložitý a inšpiratívny, že veľké percento ľudí verí, že jeho pôvod je nadprirodzený. DNA, biologický programovací jazyk, ho kóduje, ale spôsobom, ktorý je v súčasnosti ďaleko za hranicami nášho chápania. Svet, v ktorom by sme pochopili, ako zmeniť svoju inteligenciu prostredníctvom CRISPR, by bol svetom, v ktorom by sme vedeli reprezentovať inteligenciu v programovacom jazyku.

Pripomenutie si, že DNA je programovací jazyk, nám dáva užitočnú metaforu na pochopenie priepasti medzi schopnosťami CRISPR a schopnosťami potrebnými na implementáciu obáv ľudí z genetického inžinierstva. Ľudské telo je počítačový program napísaný v miliardách riadkov kódu párov báz DNA.

CRISPR nám dáva možnosť zmeniť tento kód. Naučiť sa písať však z vás neurobí skúseného programátora. Písanie na stroji je samozrejme nevyhnutným predpokladom na to, aby ste sa stali skúseným programátorom, ale kým sa jednotlivec čo i len priblíži k programovaniu, je už dávno za objavom, ako sa naučiť písať.