С биологией у меня ещё в школе не сложилось. В книжках много незнакомых слов, а учебники были в основном про Линнея. Я не один такой. «… когда ему (Дельбрюку) случалось слушать выступления rенетиков, он недоумевал, зачем им понадобилось придумывать специальный тарабарский язык. Уж не жулики ли они? Ведь это уголовники изобретают свой особый жаргон, чтобы их преступные намерения не были понятны окружающим.” (Франк-Каменецкий, Самая Главная молекула).
Однако, биология , вторгаясь в быт, сделала такой мощный рывок, что стало интересно, как они творят свои чудеса. А тут ещё прослушал книжку Айзексон, Взломавшая код. Разобраться на слух в биохимии не смог, но работа с генами показалась настолько интересной, что полез в интернет и хочу поделиться вроде бы понятым.
Сначала немного истории и терминологии, тем более что терминология не до конца устаканилась.Техзадание на построение целого организма есть в любой клетке. Это показал в 1962 году Дж.Гердон, клонировав лягушку из ядра клетки кишечника головастика. Таким образом он доказал, что специализированные эмбриональные клетки способны породить новый организм.
Информация о том что и как делать хранится в ДНК. То что в ДНК, а не белках было показано группой Эмери ещё в 1944 году. Структуру ДНК смогли угадать Уотсон и Крик по рентгеногамме Франклин. Выглядит ДНК примерно так:
Определение структуры ДНК – интеллектуальный подвиг. Кристаллы плохие, о качестве рентгеногаммы можете судить сами, вычислительные мощности слабенькие… Структуру белков начали расшифровывать несколько позже, а до РНК добрались почти через полвека.
Тем не менее удалось догадаться, что «ступеньки лестницы» состоят из двух звеньев Звенья могут быть 4х сортов – А,Г,Т и Ц (адениновое, гуаниновое, тиминовое и цитозиновое). Последовательность произвольная, но против А всегда Т, против Ц – Г (принцип комплиментарности; на рисунке разрисована одна из «ступенек). «Замок» А-Т или Г-Ц относительно слабый. Ген реплицируется (удваивается, размножается) просто и изящно. Если две нити разведены по «замкам» (как молния), то потом согласно принципу комплиментарности нарастает вторая половина и в результате из одной молекулы ДНК получаем две.
Прежде чем построить по записям в ДНК организм, надо построить белки. Белки построены из аминокислот и, биологам повезло, живая природа использует только 20 вполне определённых канонических (природных). Отличие в последовательности аминокислотных остатков в белках. А эту последовательность, как предложил Гамов, должна определять последовательность звеньев («ступенек») в одной из двух комплиментарных цепочек. Эти звенья бывают всего 4х сортов (А,Т,Г,Ц), значит словарь клетки состоит из 4х букв, из которых можно составить 20 имён аминокислот. Эти слова составляют предложение определяющее имя белка. Разделителями (знаками препинания между именами белков) это особые последовательности всё тех же А,Т,Г,Ц. То что между «знаками препинания» и называется геном, т. е. часть текста содержащий информацию о аминокислотной последовательности одного белка.
К середине 60х годов вышеупомянутые представления победили, возникла наука молекулярная биология. Она оттачивала свои инструменты и в 90 годы начала работать программа «Геном человека» ($3млрд), о которой Клинтон сказал : ««Сегодня мы изучаем язык, посредством которого Бог создал жизнь” . По завершению программы стало ясно, что читать гентический код мы уже умеем, но перефразируя Ленина – биологи только изучали ДНК, а задача в том, чтобы её изменить.
Дело в том, что ДНК я бы сравнил с винчестером. Она живёт в ядре клетки, на ней записано много информации, но как её изменить? Или другими словами – читать научились, хорошо бы перейти к чистописанию.
Но «письмо» в генной инженерии это не просто каллиграфия, это супер-супер-каллиграфия. Длина ДНК человека ~ 2 метров, она свёрнута так, чтобы пометиться в ядро клетки диаметром меньше микрона. В этом клубке надо найти нужный кусок (ген) и заменить другим. Чтобы не переписывать поверху, старый кусок вырезают, а на его место вшивают подготовленную заготовку.
Но надо было подобрать инструменты, которые позволяли бы точно в нужных местах разрезать ДНК и вшивать нужные фрагменты. Дальше «просто». Информация с ДНК перепишется на РНК, РНК сообразит как синтезировать нужный белок.
К слову о РНК. Ограничусь высказыванием из словаря: «ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК — рибозу, у которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой, гидроксильная группа.». Для меня существенно, что РНК более подвижна и менее стабильна (старейшей секвенированной ДНК 1,7 млн лет). В дальнейшем существенно и то, что вирус может содержать только РНК.
В принципе ещё на этапе чтения ДНК удалось многому научиться. Скажем нарезать ДНК на отдельные куски.
Для решения же задач генной инженерии воспользовались принципам бионики, т. е. инструментами созданными самой природой – иммунной системой бактерий. Исторически события развивались так.
В 80х Аспирант Франсиско Мохика изучал архебактерий, живущих в соленой воде, и наткнулся на странные повторяющиеся участки в их геноме. Длина таких повторов ~ 30 нуклеотидов, а между ними располагались индивидуальные участки (спейсеры) примерно такой же длины. Всё вместе назвали CRISPR-кассетой. (CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats) Зачем бактерии тратить место на повторы в относительно коротком геноме было непонятно, но такие повторяющиеся участки обнаруживали во всё новых бактериях. Далее рядом с CRISPR кассетами обнаружили группы белок кодирующих генов – CAS (CRISPR-Associated Genes), а затем, копаясь в открытом банке генетической информации, обнаружили спейсеры бактерий в ДНК бактериофагов — убийц бактерий. Для расслабления картинка (https://biomolecula.ru/articles/prosto-o-slozhnom-crispr-cas ):
Возникло предположение, что CRISPR связана с иммунной системой бактерий. То что устойчивые к вирусам бактерии перенимают часть ДНК вирусов и эта часть – спейсеры CRISPR доказал бактериолог Хорват. Грубо – бактерия нарезает вражеский геном, встраивает кусочки в CRISPR кассеты и передаёт эту информацию потомкам, котрые становятся устойчивы к опознанным вирусам. Хорват боролся с бактериофагами, вредившими заквасочным культурам. Его работа быстро ушла в DuPont, которая производит почти половину заквасок в молочной промышленности (йогурт, сыр…).
Понятно, что иммунная система должна постоянно обновлять свою базу данных о врагах и уметь их уничтожать. Для этой функции нужна лидерная последовательность, предшествующая череде повторов. Гены CAS кодируют белки, берущие на себя всю тяжесть работы по встраиванию спейсеров и уничтожению агентов с идентичными последовательностями. Функцию уничтожения выполняют Cas-белки, называемые эффекторными. В зависимости от типа эффекторов CRISPR ситемы делятся на классы, но наверное самая простая система CAS9. Именно она и стала первым инструментом генных инженеров. Первыми результата достигли Шарпантье и Даудна. Они поняли, что природа уже создала ножницы, иголку и нитки для кройки ДНК. Результаты их работы in vitro c CRISPR-Сas9 опубликованы в 2012 году, а уже в 2013 минимум три конкурирующие группы повторили этот процесс в живой клетке.
Дальше можно долго говорить о роли компонент CRISPR системы, об оптимизации процесса, о трудностях прохождения через мембрану клетки, но для непрофессионала важно, что инструмент редактирования генома найден, а механизм понят. Уже задействованы не только Cas9, уже есть редактор генов, созданный с использованием ИИ…
Несмотря на настороженное отношение к переписыванию генома, юридические препятствия CRISPR-Сas технологии применяются уже сейчас.
Есть вылечившиеся от ВИЧ, бета-талассемии и серповидноклеточной анемии. Облегчена работа селикционеров. ПУКС (гибрид картошки и томата), придуманный Войновичем сейчас создать быстрее. Про ПУКС не видел, но гибрид чили с помидором вроде бы есть. Есть даже сообщение: «Осенью 2021 года в Японии начали продавать «помидоры от гипертонии» — в результате редактирования генома их плоды накапливают больше вещества, снижающего давление.” (http://biotech2030.ru/geneticheski-otredaktirovannye-ovoshhi-kak-gmo-no-bezopasnee/ )
А в целом на 18 год динамика такая:
справа вверху исходник, внизу генномодифицированные помидоры.
PS Нижайшая просьба к тем, кто посмотрел текст, ответить на вопрос – это не слишком нудно? Ошибок не заметили?
Немножко ссылок:
https://dzen.ru/a/Wv8Ye0gmd-3jnj7t
https://habr.com/ru/search/?q=crispr&target_type=posts&order=relevance
https://habr.com/ru/companies/leader-id/articles/538374/
https://biomolecula.ru/articles/prosto-o-slozhnom-crispr-cas
https://habr.com/ru/articles/394191/
https://www.wipo.int/wipo_magazine/ru/2020/04/article_0004.html
https://nplus1.ru/material/2016/02/02/crisprfaq
https://habr.com/ru/articles/814201/
https://habr.com/ru/news/576604/
https://habr.com/ru/articles/813483/
https://habr.com/ru/news/810169/
https://forum.prokuhnyu.ru/viewtopic.php?t=4637
https://habr.com/ru/articles/784146/
https://habr.com/ru/news/779946/
https://habr.com/ru/articles/418885/
И разумеется Франк-Каменецкий, Самая главная молекула и
Айзексон, Взломавшая ген
Спасибо, Андрей, бОльшую часть поняла-хотя и благодаря тому, что познакомилась с молекулярной генетикой еще в детстве(родители купили научно-популярную книжку “Путешествие в страну МОБ”).Генетика и редактирование генома-сегодня передний край науки.Надеюсь, достижения будут использованы во благо(для лечения болезней и создания гибридов)-а не для создания Франкенштейнов.Поживем-увидим..
Спасибо, Андрей! Дельбрюк попытался связать квантовую механику с генетикой, Эрвин Шрёдингер обсуждал связь новой физики и генетики.
Полагаю, мы пока можем предполагать и строить научные гипотезы, как в новой физике , так и генетике, причины Вам ясны.
По поводу: “это не слишком нудно? Ошибок не заметили?”
Ошибок не заметили, нудности тоже не выявлено.Но! Пост подразумевает, что в тексте около 2 тыс символов, в этом тексте -8128. Это к размышлению, не более того!
Лютим. Спасибо.
“Пост подразумевает, что в тексте около 2 тыс символов, в этом тексте -8128.” Означает ли это, что в Дзен не перенесётся? Ни в виде поста, ни статьи?
Я вечером брошу на Дзен мимозу Маргариты (последний день лета), а дальше у меня останется только КРИСПР.
Сократить я его не в состоянии, половину (подробности работы составляющих и описания болезней с преимуществом лечения) уже выбросил.
Андрей! Сейчас попробую в Дзен перенести. Даже не могу сказать. Это у нас на сайте пост, причём в настройках не ограничен по количеству символов.
Как на Дзен принято, сие неведомо, методом тыка определяем.
Сегодня не надо. Там уже одна есть. Дальше сам тыкнусь, когда “дырку” в публикациях замечу
Поздно! Перенесла. Вы можете исправить, но удалять и снова публиковать – нельзя.
Спасибо. Ошибки исправил. Кажется это статья, в статистике определена статьёй
Всё верно! Изначально надо из выпадающего списка в студии Дзен выбрать – написать статью. Пост у нас не регламентирован по количеству символов, на Дзен настроен по количеству символов.