Nauka

Wyrok na cięcie genów

Czy będzie wolno ciąć geny?

Badacze szybko dostrzegli, że mają w ręku narzędzie, które może znacznie przyspieszyć rozwój inżynierii genetycznej. Badacze szybko dostrzegli, że mają w ręku narzędzie, które może znacznie przyspieszyć rozwój inżynierii genetycznej. shawn_hempel / PantherMedia
Naukowcy uzyskali świetne narzędzie genetyczne do hodowli roślin. Od europejskich prawników i polityków zależy, czy będzie można je wykorzystać.
Za pomocą CRISPR da się zmodyfikować fragment DNA, czyli uszkodzić jakiś gen, tym samym go wyłączając, albo zmienić w inny wariant.Alfred Pasieka/Science Photo Library/EAST NEWS Za pomocą CRISPR da się zmodyfikować fragment DNA, czyli uszkodzić jakiś gen, tym samym go wyłączając, albo zmienić w inny wariant.
Prof. Jacek HennigArchiwum prywatne Prof. Jacek Hennig

„Ikar łapał raki”, „wół utył i ma miły tułów”. Te dwa zdania to przykłady palindromów – czytane od lewej do prawej albo wspak brzmią identycznie. W ostatnich dwóch dekadach XX w. naukowców z Japonii, Holandii i Hiszpanii – niezależnie od siebie – zaintrygowały właśnie palindromy, tyle że zapisane w DNA bakterii i innych jednokomórkowych mikrobów. Tak zaczęła się historia przełomowego narzędzia inżynierii genetycznej.

Obrona własna

Cząsteczka DNA składa się – w dużym uproszczeniu – z połączonych ze sobą „szczebelkami” i skręconych (podobnie jak schody) dwóch nici. To słynna „podwójna helisa”, jak się ją określa w biologii. Owe szczebelki zaś to połączone w pary cztery związki chemiczne (nukleotydy) – adenina, tymina, guanina i cytozyna – oznaczane jako A, T, G i C.

Za pomocą tych czterech liter – znów ujmując rzecz w przybliżeniu – zapisana jest budowa m.in. ludzkiego organizmu. Na przykład sekwencja AAG jest przepisem na wyprodukowanie przez komórkę jednego aminokwasu. Z kolei z różnych kombinacji dwudziestu aminokwasów zbudowane są wszystkie białka żywych istot na Ziemi.

Wróćmy do naukowców. Zaobserwowali oni w DNA mikrobów sekwencje składające się z 30 liter z zestawu A, T, G i C, będące palindromami. Rozwikłanie zagadki, do czego służą, trochę trwało, i dziś różne grupy uczonych spierają się, kto ma większy wkład w stwierdzenie, że są częścią prymitywnego układu obronnego, dzięki któremu m.in. bakterie odpierają ataki wirusów.

System działa na dość prostej zasadzie. Wirusy funkcjonują jak pasożyty, które do tworzenia swoich kopii wykorzystują aparat komórkowy „żywiciela” – wprowadzają tam własny materiał genetyczny. Dlatego w bakteriach, którym atak udało się przetrwać, pozostają jego fragmenty. I tu następuje coś intrygującego: mikroby oznaczają owe wirusowe kawałki w swoim DNA właśnie palindromicznymi sekwencjami. Ponadto dodają do nich gen kodujący białko, które potrafi ciąć nić DNA. Jeśli zatem wirus próbuje taką bakterię ponownie zaatakować, to dzięki owemu fragmentowi własnego materiału genetycznego zostaje rozpoznany, a ów „tnący gen” robi „ciach” i w ten sposób unieszkodliwia groźnego intruza. Innymi słowy uwięziona w bakterii i specjalnie oznaczona sekwencja naprowadza (również dzięki wykorzystaniu cząsteczki RNA, która pełni funkcję „celownika”) białkowy skalpel na identyczne miejsca w materiale genetycznym wirusów.

Naukowcy nadali owym palindromicznym fragmentom DNA mikrobów nazwę CRISPR, będącą skrótem od Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (grupowane, regularnie przerywane, krótkie powtórzenia palindromiczne). Do tego dodali Cas9, co oznacza gen odpowiedzialny za produkcję białka tnącego DNA. I tak powstała pełna nazwa bakteryjnego systemu obronnego: CRISPR/Cas9. Później okazało się jednak, że mikroby używają jeszcze innych rodzajów tnących białek Cas.

Badacze szybko dostrzegli, że mają w ręku narzędzie, które może znacznie przyspieszyć rozwój inżynierii genetycznej. Już od lat 70. XX w. potrafiono bowiem ciąć enzymami DNA oraz przenosić geny z jednych organizmów do drugich, dzięki czemu sprawiono m.in., że bakterie wytwarzają ludzką insulinę niezbędną dla cukrzyków. Ale nie były to bardzo precyzyjne narzędzia.

Tymczasem bakteryjny system CRISPR/Cas potrafi naprowadzać na dokładnie wybrany fragment DNA. Jeśli bowiem wstawi się do niego np. jakiś konkretny fragment genu człowieka, to chemiczna maszyneria znajdzie miejsce, w którym znajduje się on i jego kopie (bo każdy gen występuje w wersji pochodzącej od ojca i matki). Dalsze wydarzenia zależą od tego, jakie tnące białko zostanie zastosowane. Jedno może przeciąć w wyznaczonym miejscu nić DNA, a następnie mechanizmy naprawcze komórki z powrotem ją skleją. Przy czym można tak wpłynąć na ich działanie, że naprawiając przecięcie, komórka wprowadzi zmianę pożądaną przez eksperymentatora. Nazywa się to redagowaniem genomu, gdyż przypomina pracę redaktora poprawiającego literówki w tekście. Można też użyć tnącego białka, które usunie wskazany fragment DNA, tak jak redaktor wykreśla słowa ze zdania.

Za pomocą CRISPR da się zmodyfikować fragment DNA, czyli uszkodzić jakiś gen, tym samym go wyłączając, albo zmienić w inny wariant. Ale nie jest możliwe (przynajmniej na razie) wprowadzenie czegoś, czego w DNA wcześniej nie było. Znów, odwołując się do redakcji tekstów: umiemy poprawić literówkę czy wyciąć jakieś słowo, ale nie dopiszemy całego zdania artykułu lub rozdziału książki.

Agresja kontrolowana

Odkrycie CRISPR/Cas9 ma jednak ogromne znaczenie, co wynika również z tego, że bakteryjny system obronny okazał się szybszy w użyciu, łatwiejszy i tańszy w porównaniu z innymi narzędziami inżynierii genetycznej. Kwestią czasu było więc jego praktyczne zastosowanie. W 2013 r. naukowcy z Broad Institute (wspólnej jednostki badawczej Harvard University i Massachusetts Institute of Technology) poinformowali o udanej edycji DNA w ludzkich i mysich komórkach (hodowanych w laboratorium). W tym samym roku pojawiły się też pierwsze publikacje specjalistyczne donoszące o modyfikacjach genów roślin za pomocą CRISPR/Cas9.

Od tego momentu na całym świecie przeprowadzono już tysiące eksperymentów polegających na edycji materiału genetycznego organizmów. A ponieważ metoda jest tania, szybka i łatwa, jej użycie w przypadku człowieka od razu wzbudziło obawy. Dlatego w 2015 r. akademie nauk USA, Chin i Wielkiej Brytanii zwołały spotkanie specjalistów poświęcone kwestiom etycznym stosowania CRISPR/Cas. Konkluzją było wezwanie do wstrzymania się z eksperymentami polegającymi na wprowadzaniu zmian genetycznych, które mogłyby być dziedziczone (czyli m.in. wykorzystaniu poddanych edycji komórek rozrodczych człowieka). Moratorium nie wstrzymało zatem wszystkich badań z udziałem ludzi.

W 2017 r. zespół chińskich naukowców poinformował o pobraniu od pacjenta cierpiącego na agresywną formę raka płuc komórek odpornościowych i wyłączeniu niektórych ich genów za pomocą CRISPR/Cas. Głównym celem modyfikacji była sekwencja DNA kodująca białko spowalniające reakcję układu odpornościowego. Następnie tak zmienione komórki hodowano w laboratorium i ponownie wstrzyknięto pacjentowi, by pobudzić mechanizmy obronne organizmu. W tym roku media poinformowały z kolei, że w Chinach analogicznej terapii poddano kolejnych 86 chorych na raka lub zarażonych wirusem HIV. Podobne eksperymenty lada moment ruszą w USA.

Kampanie niejasności

Znacznie mniej kontrowersyjna wydaje się – przynajmniej na pierwszy rzut oka – edycja DNA roślin przeznaczonych do uprawiania przez rolników. W Ameryce Północnej farmerzy już otrzymali pierwsze takie odmiany. Koncern DuPont Pioneer poddał edycji materiał genetyczny kukurydzy, by zmienić proporcje rodzajów skrobi w ziarnach (na bardziej przydatne dla przemysłu). Z kolei nieduża firma Calyxt zmieniła geny soi zaangażowane w syntezę kwasów tłuszczowych, dzięki czemu uzyskany z nasion olej ma zdrowszy skład. Podobnemu zabiegowi ma zostać poddany rzepak, firma pracuje także nad pszenicą o mniejszej zawartości glutenu (dla alergików) oraz nad odmianą tego zboża wytwarzającą więcej błonnika. A to tylko niektóre przykłady.

Czy w takim razie edycja genów za pomocą CRISPR/Cas stanie się za chwilę metodą stosowaną w hodowli roślin powszechnie? Doświadczenia z lat 90. pokazują, że niekoniecznie. Wtedy też z entuzjazmem witano narzędzia inżynierii genetycznej pozwalające na przenoszenie genów z jednych organizmów do drugich. Technologia ta napotkała jednak silny opór ruchów anty-GMO, które twierdziły, że ludzie nie powinni przenosić genów pomiędzy odległymi biologicznie gatunkami, bo stanowi to przekraczanie oddzielających ich barier. O tym zaś, że w przyrodzie takie zjawisko fachowo określane jako „horyzontalny transfer genów” zachodzi naturalnie, aktywiści już nie wspominali.

Agresywne kampanie anty-GMO zadziałały przede wszystkim w Unii Europejskiej, która na mocy przyjętej w 2001 r. dyrektywy praktycznie uniemożliwiła uprawę roślin zmodyfikowanych narzędziami inżynierii genetycznej (dziś wykorzystują je rolnicy głównie w obu Amerykach i południowej Azji). Oddała bowiem decyzje w ręce polityków, a nie ekspertów, a ci pod wpływem negatywnego nastawienia opinii publicznej zawsze zapalali czerwone światło roślinom GMO. Ponadto Unia Europejska nakazała specjalne znakowanie uzyskanych z nich produktów żywnościowych i wprowadziła bardzo kosztowny proces oceny bezpieczeństwa takich odmian.

Dyrektywa z 2001 r. zawierała jednak wyjątek dla pewnej starej metody modyfikacji DNA: stosowanej od prawie stu lat mutagenezy. Polega ona na napromieniowywaniu roślin lub traktowaniu ich substancjami chemicznymi po to, by wywołać tysiące losowych mutacji, z których hodowcy żmudnie wybierają te przydatne dla rolników. Obecnie na świecie uprawia się ok. 3 tys. odmian powstałych w ten sposób roślin – m.in. pszenicy, jęczmienia czy grejpfrutów.

Według dyrektywy z 2001 r. wszystkie one są GMO, ale nie muszą być rygorystycznie i kosztownie badane, a powstała z nich żywność znakowana. Nie wymagają też specjalnych, udzielanych przez Brukselę, zezwoleń na uprawę. Skąd ta niekonsekwencja? Prawo unijne powstawało pod naciskiem aktywistów, którym na zablokowaniu mutagenezy aż tak bardzo wówczas nie zależało. Ponadto takie obostrzenia wyeliminowałyby z europejskich upraw mnóstwo cennych odmian roślin, co uderzyłoby mocno w rolników i konsumentów.

Batalia pod skansenem

Dziś okazuje się, że ta niekonsekwencja prawodawców może mieć kolosalne znaczenie dla CRISPR/Cas i podobnych do niej metod modyfikacji DNA roślin. Ruchy anty-GMO (m.in. Greenpeace) twierdzą bowiem, że powstałe dzięki edycji genów odmiany muszą podlegać restrykcyjnym rygorom dyrektywy z 2001 r. (czyli m.in. należy je znakować jako GMO). A ich uprawa powinna zostać de facto zablokowana w krajach Unii Europejskiej.

Czym uzasadniają swoje twarde stanowisko? Ich zdaniem metoda CRISPR/Cas może czasami powodować błędy (rzeczywiście tak się zdarza), a więc „naruszać skomplikowaną i nie do końca poznaną sieć zależności między genami”. Nie wyjaśniają jednak, dlaczego mutageneza – czyli wywoływanie tysięcy zupełnie losowych mutacji w DNA roślin – mniej ich niepokoi niż niezwykle precyzyjna ingerencja za pomocą CRISPR/Cas w pojedyncze geny.

Spór ten zostałby rozstrzygnięty, gdyby Komisja Europejska i unijny parlament uregulowały kwestie edycji genów w hodowli roślin, ale od dwóch lat politycy nie potrafią podjąć decyzji, co z tym fantem począć. Tymczasem w cieniu legislacyjnych rozterek Brukseli rozpoczęła się już sądowa batalia z przeciwnikami GMO. Francuscy aktywiści zażądali od władz swojego kraju, by zaczęły traktować uprawy roślin wyedytowanych za pomocą CRISPR/Cas (i innych podobnych technik) tak rygorystycznie jak GMO. Dlatego francuski sąd, do którego trafiła sprawa, zwrócił się do Europejskiego Trybunału Sprawiedliwości (ETS) z pytaniem, jak ma interpretować przepisy dyrektywy z 2001 r. Wyrok może zapaść jeszcze w tym roku, ale już w styczniu pojawił się sygnał, w jakim kierunku podąży ETS.

Jego rzecznik wydał bowiem opinię, w której uznał, że metody edycji genomów to wprawdzie GMO, ale wyłączone z rygorystycznych przepisów unijnej dyrektywy. Skoro CRISPR/Cas jedynie przecina DNA, a dalej działają już naturalne mechanizmy naprawcze komórki, które ponownie sklejają nić, i podczas tego procesu mogą powstać przypadkowe mutacje genów, to mamy do czynienia z punktową i bardzo precyzyjną mutagenezą. Dopóki za pomocą CRISPR/Cas nie będzie się wprowadzać „obcego” materiału genetycznego do rośliny (np. genów przebudowanych w laboratorium i/lub pochodzących z innych organizmów), dopóty nie powinno się w tym przypadku stosować rygorystycznych przepisów dotyczących GMO.

Jeśli wyrok ETS będzie zgodny z opinią jego rzecznika, zapali się zielone światło dla stosowania metod edycji genów w hodowli roślin. Oczywiście do czasu podjęcia decyzji przez władze Unii Europejskiej, które mogą przygotować odrębne przepisy dotyczące m.in. CRISPR/Cas. A tu Bruksela może pójść dwiema drogami: powtórzyć to, co zrobiła na przełomie wieków, czyli niemal zupełnie odciąć europejskich rolników od nowoczesnej biotechnologii opartej na inżynierii genetycznej. Albo uznać m.in. CRISPR/Cas za nowoczesną i nieporównanie precyzyjniejszą odmianę dozwolonej dziś mutagenezy. Byłby to swego rodzaju kompromis: na GMO nadal się w praktyce nie zgadzamy, ale edycja genów jest OK. Dzięki temu europejskie rolnictwo miałoby szansę rozwijać się w sposób bardziej zrównoważony. Na razie zaczyna przypominać skansen, niestety, w złym tego słowa znaczeniu.

***

Przeprawa ziemniaczana

Rozmowa z prof. Jackiem Hennigiem, kierownikiem Pracowni Patogenezy Roślin w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie.

MARCIN ROTKIEWICZ: – Ponad dekadę temu pańskiemu zespołowi udało się wyhodować odmianę ziemniaka lepiej tolerującego suszę. Jak on powstał?
JACEK HENNIG: – Zrobiły to trzy współpracujące ze sobą polskie laboratoria, a modyfikacja polegała na zwiększeniu ilości białka, które naturalnie występuje w ziemniaku.

Jednak na wykorzystanie tej rośliny przez rolników nie było szans?
Naszego ziemniaka wyhodowaliśmy bardziej dla celów naukowych niż aplikacyjnych, ale rzeczywiście, w warunkach europejskich nie było szans na jego uprawy. Zaliczał się bowiem do GMO podlegającego bardzo restrykcyjnym przepisom w praktyce uniemożliwiającym wykorzystanie przez rolników tej rośliny.

Nie przekopiowaliście przecież do niego żadnego „obcego” genu…
Wykorzystaliśmy gen, który naturalnie występuje w ziemniaku. Jednak nasza roślina podpadała pod prawną definicję GMO, gdyż tzw. promotor owego genu, czyli jego mały fragment, pochodził z wirusa. Użyliśmy także genetycznych markerów skopiowanych z bakterii, za pomocą których sprawdza się, czy modyfikacja genetyczna się powiodła.

Co stało się z tym ziemniakiem?
Zgłosił się do nas państwowy instytut rolniczy z Kenii, który chciał tę samą modyfikację zastosować w kukurydzy, więc nieodpłatnie przekazaliśmy im naszą technologię.

Teraz pracuje pan nad inną cechą ziemniaka.
Jako pierwsi na świecie wyizolowaliśmy gen odporności na jedną z najgroźniejszych chorób tej rośliny – wirusa Y. To globalny problem rolników, dlatego naszym osiągnięciem już zainteresowała się amerykańska firma Simplot.

To też GMO?
Tak, ale można próbować uzyskać odporność na wirusa za pomocą CRISPR/Cas. Poza tym chcemy użyć tej metody do lepszego zrozumienia działania mechanizmu odporności na wirusa Y, czyli sprawdzić, za co dokładnie odpowiada konkretna część białka produkowanego przez odkryty przez nas gen.

Czy używając CRISPR/Cas, udałoby się uzyskać pierwszego pańskiego ziemniaka, który lepiej radziłby sobie z suszą?
Nie sądzę, aczkolwiek postęp w biotechnologii jest tak duży, że za jakiś czas może okazać się to możliwe. CRISPR/Cas to wspaniałe narzędzie, ale warto pamiętać, że nie jest magiczną różdżką i ma swoje ograniczenia. Da się go stosować tylko do tych cech, za które odpowiadają pojedyncze geny. Na szczęście rośliny mają ich wiele.

Wiąże pan jakieś nadzieje z tym, że CRISPR/Cas i inne metody edycji genów być może nie będą podlegały w Europie takim rygorom jak GMO?
Po historii z GMO trudno mieć zaufanie do europejskich prawodawców, więc wszystko jest możliwe. Również zastopowanie stosowania edycji genów.

Polityka 26.2018 (3166) z dnia 26.06.2018; Nauka; s. 60
Oryginalny tytuł tekstu: "Wyrok na cięcie genów"
Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Społeczeństwo

Rzeź ptaków

Co roku myśliwi zabijają około 200 tys. ptaków. Wyłącznie dla własnej rozrywki. Żadnych innych powodów polowania na ptaki nie ma.

Joanna Podgórska
05.12.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną