Przełomowe badania ludzkiego genomu

Dziś poznajemy język, w jakim Bóg stworzył życie – słowa Billa Clintona, ówczesnego prezydenta Stanów Zjednoczonych, zabrzmiały 26 czerwca 2000 r. niezwykle podniośle. Na miarę oczekiwań, jakie wiązano z rozszyfrowaniem genomu człowieka, a właśnie ten sukces ogłaszano podczas konferencji prasowej w Białym Domu. Clinton, podobnie jak większość przeciętnych obserwatorów niemających z genetyką i biologią molekularną wiele wspólnego, prawdopodobnie wierzył, że obwieszcza przełom nie tyle w genetyce człowieka, co może nawet – zważywszy na jego patetyczny ton – w całej historii ludzkości. Być może był pewien, że tajemnice powstawania życia zostały właśnie wyjaśnione, bo dowiedzieliśmy się, co skrywa podwójna nić DNA. Na świat nie będą przychodzić dzieci z wadami genetycznymi, gdyż uda się je naprawić w zarodku. Zaczniemy uzdrawiać chorych, wyjaśnimy mechanizmy nie tylko nieuleczalnych plag – takich jak nowotwory, otyłość czy cukrzyca – ale zrozumiemy też biologiczne wyznaczniki ludzkich zachowań. – Minęło od tamtej pory 14 lat i wiele oczekiwań po prostu się nie spełniło – sumuje gorzko prof. Piotr Stępień z Instytutu Genetyki i Biotechnologii Uniwersytetu Warszawskiego oraz Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN. – Mam poczucie pewnego niespełnienia, ale widocznie taka jest natura: zbyt skomplikowana, by można ją było poznać w tak krótkim czasie. Odsłona pierwsza: wyścig Odkąd James Watson i Francis Crick wyjaśnili w 1953 r., czym jest helisa DNA, poznanie zasobu informacji genetycznej rozpalało wyobraźnię naukowców. Do tego stopnia, że uczeni zaangażowani w biologię molekularną nie wyobrażali sobie dalszego rozwoju tej dziedziny nauki bez rozszyfrowania ludzkiego genomu. Wydawało się to naturalną kontynuacją badań zapoczątkowanych przez Watsona i Cricka, którzy w połowie XX w. doszli do spektakularnych odkryć, ale nie dysponowali jeszcze narzędziami pozwalającymi ustalić kolejność wszystkich nukleotydów tworzących cały ludzki DNA. Pod koniec lat 80. techniki tzw. sekwencjonowania były już dużo bardziej wyrafinowane. – Pamiętam wykład Watsona w auli uniwersytetu w Uppsali w 1974 r. – wspomina prof. Stępień, który odbywał akurat wtedy staż naukowy w Szwecji. – Pokazał na slajdzie pierwszą sekwencję DNA – raptem kilka plamek pozwalających ustalić w krótkim fragmencie kolejność liter: A, T, C, G. Zrozumiałem, że to początek nowej ery w biologii, choć jej eksplozji doczekamy się dopiero wtedy, gdy zaczniemy stosować zaawansowane techniki elektroniczne i informatyczne. W 1988 r. świat był już na to przygotowany. Zapadła decyzja o rozpoczęciu Programu Poznania Ludzkiego Genomu (Human Genome Project), w który zaangażowało się kilkanaście międzynarodowych ośrodków badawczych z USA, Japonii, Chin, Wlk. Brytanii, Francji i Niemiec. W ciągu 15 lat, kosztem 3 mld dol., postanowiono zrealizować gigantyczny plan rozłożenia ludzkich chromosomów na czynniki pierwsze. W ten sposób miała zostać rozwikłana genetyczna tajemnica człowieka. Do pracy zabrano się metodycznie, czyli krok po kroku: analizowano po kolei nukleotydy, czyli elementy składowe genów, które pochodziły z DNA z określonego miejsca w chromosomie. Badacze „odgryzali” pojedyncze kawałki, sekwencjonowali je i posuwali się dalej, powtarzając za każdym razem całą procedurę od nowa. Było to żmudne i pracochłonne, więc zbieranie informacji zapoczątkowane w 1990 r. – nawet za tak gigantyczne pieniądze – zapowiadało się na długie lata. Jednym z pierwszych, który to sobie uświadomił, był ­Craig Venter. Kierował wtedy w National Institutes of Health w Bethesda laboratorium, które w ramach realizowanego programu testowało nowe automatyczne urządzenia do sekwencjonowania DNA. Nie uważał, by mozolna strategia obrana przez zespoły włączone do Human Genome Project była słuszna, więc mając doświadczenie, a przede wszystkim pomysł, jak szybciej dojść do celu, złożył aplikację o grant z funduszy projektu. Stojący wówczas na jego czele sam James Watson trzykrotnie oddalił podanie, więc Venter utworzył w 1992 r. własny Instytut Badań Genomu, kilka lat później ogłosił powstanie nowego przedsiębiorstwa o nazwie Celera Genomics i rozpoczął swoje konkurencyjne badania (wkrótce James Watson również musiał zrezygnować z kierowania Human Genome Project i jego miejsce zajął inny wybitny biolog prof. Francis Collins). Na czym polegał finezyjny pomysł Ventera? Przede wszystkim zakładał, że nie trzeba sekwencjonować nici DNA krok po kroku, lecz wystarczy pociąć go losowo na 10 mln kawałków, nie zastanawiając się, z jakich miejsc w chromosomach pochodzą. Ważne, by poszatkowane fragmenty zachodziły na siebie podobnymi sekwencjami, bo wtedy komputer połapie się w tej masie kawałków i poskłada je niczym puzzle we właściwej kolejności. To, co federalnym i państwowym instytucjom miało zająć 15, a może nawet 20 lat, naukowcy zatrudnieni w prywatnym laboratorium Ventera mieli osiągnąć w dwa lata i to za pieniądze 10 razy skromniejsze, niż wynosił budżet Human Genome Project. – Zamiast współpracy nastąpił emocjonujący wyścig, choć oba zespoły dobiegły do mety w podobnym czasie – mówi prof. Piotr Stępień. – W 2000 r. poznaliśmy zapis ludzkich genów. Ale okazało się to ledwie wstępem do rozwikłania zagadki funkcjonowania naszych komórek i całego organizmu. Korzyści praktyczne z rozszyfrowania DNA są wciąż przed nami. Odsłona druga: weryfikacja Od słynnej konferencji w Białym Domu mija w tym roku 14 lat, lecz nadal o wielu genach można powiedzieć tylko tyle, w którym miejscu leżą, jakie białko kodują, ale wciąż nie wiadomo, do czego służą. Prof. Stępień porównuje sukces Human Genome Project i Craiga Ventera (ostatecznie rywalizacja wszystkich zespołów przemieniła się we współpracę) do osiągnięć archeologów, którzy dotarli do rękopisów w nieznanym języku i przez wiele lat trudzili się nad ich odczytaniem: – Po rozwinięciu zwojów okazało się, że ich nie rozumiemy. Czytamy litery jedna po drugiej, ale pełna treść jest niejasna i nadal pozostaje zagadką. A oto jeszcze inne wytłumaczenie tego fenomenu. W zdaniu „Gdzie panieńskim rumieńcem dzięcielina pała” znajduje się 39 liter ułożonych w określonej sekwencji. Dzięki niej potrafimy odczytać w zrozumiały sposób zdanie, które prowadzi nas do konkretnej książki, czyli „Pana Tadeusza” Adama Mickiewicza. Podobnie wygląda odczytywanie sekwencji ludzkiego genomu. W alfabecie genów występują, co prawda, tylko cztery litery – A, C, G, T – symbolizujące adeni