Из бактерии в клетку

В 2013 году череда не слишком значительных, как казалось, находок одних биологов и интеллектуальная смелость других привели к настоящему научно-технологическому прорыву.

Произошло событие, которое по праву можно назвать революцией. Революцией и в области методов клеточной биологии, и, что представляется еще более важным, революцией идеологической, серьезно меняющей представления о ключевых направлениях прогресса в биологическом нанотехе…

Речь идет о разработанном американскими специалистами методе манипуляции с клеточными ДНК, получившем название CRISPR/Cas9, или просто криспер. Возможности его настолько превосходят существовавшие до этого приемы генной инженерии, что вызвали буквально восторг у специалистов. Криспер представляет собой наноавтомат, состоящий из двух молекул — белка Cas9 и присоединенной к нему информационной молекулы RNA (РНК).

В природе этот нанокомплекс «живет» в бактериях. Его функция — находить по информации, записанной на РНК, попавших в бактерию ДНК вредоносных вирусов, и уничтожать их, «перекусывая» наноножницами (молекулой Cas9).

Авторам метода пришла в голову идея извлечь этот комплекс CRISPR/Cas9 из бактерии, внедрить его в новую среду — живую клетку и, используя искусственные РНК, заставить его работать с ДНК этих клеток. Задуманное удалось, и в результате на свет появился уникальный инструмент — программируемый наноавтомат, способный в живых клетках многоклеточных организмов выполнять разнообразные операции на носителе биоинформации организма: на ДНК.

Образцы Cas9 были разосланы разработчиками метода в тысячи лабораторий мира, и сегодня с помощью криспер выполняют самые разнообразные манипуляции с ДНК биоклеток — разрезают их в нужных местах, удаляют или вставляют в них отдельные участки (гены), «ремонтируют» ДНК, заменяя дефектные гены ихисправными копиями, а также управляют активностью (экспрессией) генов.

Такое прямое редактирование генетической информации в живых организмах еще недавно представлялось фантастикой, ведь речь, по сути, идет о перспективе прижизненного изменения генома организмов. Если прибавить, что криспер существенно дешевле, надежней и быстрее (там, где раньше требовались многие месяцы — теперь нужна неделя) прежних методов редактирования генов, то энтузиазм, охвативший специалистов самых различных направлений — от биоинформатики и генной терапии до трансплантологии, онкологии и косметологии, — станет понятен.

 

Модернизация природных наноавтоматов (ПНА)

Однако в ходе экспериментов выявились и недостатки метода. Так, при «ремонте» дефектных участков ДНК довольно часто происходят случайные повреждения других частей этой молекулы. Есть у метода и другие слабые места.

Вполне естественные попытки его усовершенствования не заставили себя ждать. Совсем недавно появилась информация об открытии еще одного бактериального криспер-комплекса, но уже на основе белка-наноавтомата Cpf. Сообщается, что по ряду параметров, — точности позиционирования на молекуле ДНК, «качеству» ее разреза и компактности (параметра важного с точки зрения возможности внедрения в клетку), — Cpf превосходит Cas9. Появилась информация, что для резки ДНК можно применять также белки-наноавтоматы C2C1 и C2C3.

Есть и другие возможности доработки этого ПНА — журнал Science сообщил, что специалистам удалось изменить нескольких аминокислот в Cas9, что привело к значительному сокращению упомянутых ошибок в его работе. Измененный нанокомплекс получил название eSpCas9.

Нет сомнений, что это только начало и поиски других подобных криспер природных наноавтоматов для использования их в качестве новых биоинструментов будут активно продолжаться. Также будут продолжаться и эксперименты по их искусственному изменению с целью улучшения рабочих свойств и расширения возможностей применения. Такие, созданные на основе ПНА (природных наноавтоматов), измененные клеточные инструменты можно назвать «модернизированными природными наноавтоматами» (МОНА).

 

Опережая ожидания

Как уже было сказано, история с криспер — не просто очередной шаг в методиках генной инженерии. Она имеет, на наш взгляд, куда большее, принципиальное значение. Если предыдущую главу мы завершили выводом, что нанореволюция в биомедицине откладывается на неопределенное время в связи с отсутствием видимых успехов в разработке «железных» нанороботов, то появление криспер-метода изменило ситуацию. Фактически, на основе ПНА был создан вполне работоспособный, пусть и не без недостатков, образец клеточного программируемого наноавтомата. Это неожиданный и существенно опережающий все возможные ожидания прорыв.

Пример криспер показал, что создание клеточных наноинструментов путем усовершенствования ПНА сегодня более актуально и перспективно, чем разработка «железных» аппаратов и опережает ее по практическим результатам на десятки лет. Это удивительно, но природа уже выполнила здесь значительную часть работы, предоставив биологам работающие «заготовки» для МОНА. Реальные, работающие образцы наноавтоматов — безусловно, огромное и самое главное преимущество «биоорганического» направления. Но не единственное.

 

О некоторых возможностях

Естественным плюсом наноавтоматов, созданных на основе ПНА, является их изначальное органическое родство с внутриклеточными процессами. Можно предположить, что это поможет найти эффективное решение двух сложных проблем внутриклеточных нанобиотехнологий — проблемы «массового производства» нанотехнологических автоматов и проблемы их внедрения в клетки.

Первая из них связана с очевидным фактом, что для сколько-нибудь серьезного вмешательстве в работу многоклеточного организма потребуются многие миллиарды наноавтоматов. Вторая связана с тем, что клетки хорошо защищены от внедрения в них извне каких-либо объектов, включая, разумеется, и достаточно крупные по этим меркам наноавтоматы. Сегодня для подобных процедур приходится применять достаточно сложные и зачастую повреждающие клетку приемы.

Возможное решение обеих проблем в том, чтобы внедрять в клетку не сами наноавтоматы, а, пользуясь тактикой репликации вирусов, лишь соответствующие, существенно меньшие по размерам, программные молекулы ДНК (РНК), по которым необходимые наноавтоматы «изготавливались» бы уже внутри самой клетки, на ее собственных «производственных мощностях». При этом процедура применения нанотеха будет в каком-то смысле схожа с инфицированием организма вирусами. Это стало бы огромным шагом в направлении практического использования наноавтоматов.

— Профессор, а что, собственно, дадут нам эти наноавтоматы? В чем смысл их использования?

— Они позволят человеку стать, образно говоря, не рабом своего тела, а хозяином, позволят управлять им, изменять себя по своему желанию.

Говоря более конкретно, наноклеточные технологии позволят управлять организмом, всей человеческой телесностью через прижизненное изменение генома, через нанотехнологическое влияние на внутриклеточные процессы. Это откроет совершенно новые, неведомые ранее, поразительные возможности удовлетворения потребностей человека…

— Звучит непривычно…

— Об этом мы поговорим в следующий раз.