Aktuality

Nobelovu cenu za chemii komentují vědci UK: prof. Petr Svoboda, prof. Jan Černý a dr. Karolina Škvárová

Ve středu 7. října krátce před polednem oznámila Královská švédská akademie věd jména laureátek Nobelovy ceny za chemii. Získaly ji Emmanuelle Charpentier a Jennifer A. Doudna, za „vývoj metody umožňující genovou editaci”, známé jako „genetické nůžky“ CRISPR/Cas9. Molekulární nástroj lze použít k přesným řezům v genetickém materiálu, což umožňuje snadnou změnu genetického kódu živých organismů.

► Udělení letošní Nobelovy ceny za chemii okomentoval pro magazín Forum UK molekulární biolog prof. Petr Svoboda z katedry buněčné biologie Přírodovědecké fakulty UK a Ústavu molekulární genetiky AV ČR:

„Letošní Nobelova cena je chemii byla udělena za objev, který způsobil revoluci v manipulaci s DNA v buňkách a v živých organismech. Historie objevu je poměrně dlouhá a spletitá a ukazuje důležitost základního výzkumu, který se snaží přijít věcem na kloub a občas přinese revoluční objev z absolutně neočekávaného směru. Na začátku objevu CRISPRů stál výzkum DNA slanomilných bakterií ve Španělsku, který vedl Francisco Mojica. Ten na začátku devadesátých let objevil podivně uspořádané místo v genomu, které bylo nazváno CRISPR, což je zkratka pro Clustered Regularly Inter Spaced Palindromic Repeats. Ukázalo se, že toto místo je jakási bakteriální genetická pamět prodělaných infekcí – i bakterie mají své viry zvané bakteriofágy a dokonce si umí proti nim vytvořit imunitu.

Myslím, hodně lidí čekalo, že díky svým pionýrským objevům bude Mojica Nobelovu cenu také sdílet, nicméně to nijak nesnižuje význam výzkumu nositelek Nobelovy ceny, který byl originální a zásadní pro pochopení, jak si bakterie budují a jak využívají svoji imunitní paměť. Ta funguje tak, že když bakterii napadne bakteriofág, který už napadl jejího předka, bakterie ho dokáže poznat a zničit. V podstatě ze své genetické paměti vyloví uložený kousek genetické informace bakteriofága a vloží ho do enzymu zvaného Cas9 a ten prohledá celou buňku a přeštípne DNA bakteriofága a tím ho zničí. Dnes víme, že tento systém, nazývaný genetické nůžky nebo naváděná nukleáza, existuje u bakterií v mnoha různých variantách.

Biotechnologická CRISPR revoluce spočívala v tom, že systém genetických nůžek je možné adaptovat na prakticky jakékoliv buňky a použít pro přestřižení jejich DNA v prakticky libovolném místě. Trvalo to jen osm let a CRISPR/Cas9 používá prakticky každá laboratoř, která studuje biologické procesy na molekulární úrovni, ať už provádí úpravy v buňkách na misce nebo se snaží připravit modelový organismus s konkrétní mutací. Navíc bylo vyvinuto mnoho variant CRISPR systémů, které umožňují mnohem víc, než původní nůžky.

Ještě bych dodal, že letošní Nobelova cena nese i výraznou českou stopu, protože v laboratoři Jennifer Doudna studium struktury CRISPR/Cas9 komplexu prováděl Martin Jínek (nyní má vlastní laboratoř na University of Zurich), který nejen popsal, jak CRISPR/Cas9 rozpoznává a štěpí DNA, ale také navrhl klíčovou úpravu, která významně zjednodušila jeho praktické použití.“

► Komentář poskytl i prof. Jan Černý, vedoucí katedry buněčné biologie Přírodovědecké fakulty UK:

„Pomyslné ´čekání na Godota´ při udělování Nobelových cen skončilo. Udělením Nobelovy ceny za chemii došlo k očekávanému ocenění výzkumu stojícího za jednou z největších technologických revolucí současné biologie a v blízké budoucnosti i biomedicíny. Očekávaná jsou i jména oceněných vědkyň Emmanuelle Charpentier a Jennifer A. Doudna. Ty totiž nejen stály u klíčových objevů, ale díky své schopnosti svůj výzkum ´prodat´ a pokračovat od základního výzkumu k aplikacím se staly v podstatě synonymem pro výzkum genového editování pomocí CRISPR/Cas9 systému. Ti, kteří dobře znají kontinuitu objevů virového obranného systému i vývoje crisprové technologie možná v skrytu duše očekávali mezi oceněnými i další jména skutečných pionýrů, např. Francisca Mojicu nebo Virginiuse Šikšnise, jak se v minulosti již několikrát stalo.

Snaha měnit genetickou informaci je jedním ze snů biologů a šlechtitelů, v některých situacích i lékařů. Výzkum, který letos v chemické kategorii ocenila Královská švédská akademie věd, umožňuje provádět cílené a velice dobře kontrolované zásahy do genetické informace vysoce efektivním a dostupným způsobem. Revoluční technologie genetického editování založená na CRISPR-Cas9 využívá evolučně konzervovaného specifického obranného mechanismu celé řady prokaryotních organismů (bakterií a archebakterií), které jsou schopné vložit část genetické informace patogenů (např. bakteriofágů) do svého genomu. Při další infekci je tato molekulární ´vzpomínka´ aktivována (přepsána do molekuly RNA) a použita pro specifické rozpoznání patogenní DNA, která je následně rozštěpena. Jedná se v podstatě o adaptivní imunitní systém prokaryot, něco, čehož existenci asi nikdo nepředpokládal. Vždyť něco podobného na úrovni proteinů máme až my obratlovci…

Jedná se o skvělou ukázku toho, že základní výzkum nemůže být ze své podstaty orientovaný, nikdy totiž nevíme, kde dojde k průlomovému objevu. Dále zde platí Pasteurovo ´štěstí přeje připraveným´ a určitě i těm, kteří spolu dokáží spolupracovat. Rychlý progres výzkumu molekulárních mechanismů cílené editace genetické informace oceněnými dámami byl jistě umožněn i tím, že se do jednoho týmu spojily excelentní mikrobioložka Emmanuelle Charpentier a expertka na biologii RNA Jennifer A. Doudna. Podstatná je v tomto ohledu i ´česká stopa´ – Martin Jínek, který byl prvním autorem zásadního článku v časopise Science (korespondujícími autory byly obě oceněné), který ukázal, že CRISPR/Cas9 systém může být programovatelný pro štěpení různých substrátů.

Využití bakteriálního molekulárního know-how pro cílené rozpoznání, štěpení a následné měnění ´knihy života´ – molekuly DNA dnes nabízí nepřeberné množství aplikací. Samozřejmostí je dnes využití v biologickém výzkumu, dále velice rychle pronikl do přípravy geneticky modifikovaných organismů jako alternativy jiných poněkud těžkopádných tradičních přístupů, včetně šlechtitelství. Skutečnou výzvou je využití v medicíně, kde s jeho pomocí již probíhá cílená a kauzální léčba např. některých nádorových onemocnění nebo genetických defektů.

To, co nám všem ´nesnesitelná lehkost při měnění genetické informace´ pomocí CRIPR/Cas9 technologie přinesla, jsou zcela nové etické otázky, které jsou spojeny např. s možností efektivně měnit genetickou informaci v lidských zárodcích nebo cíleně a precizně vnášet lidské geny do zvířecích genomů včetně nám nejbližších. Všichni si pamatujeme, jak do našeho vnímání světa zasáhlo prolomení doposud nepřekročitelné hranice, tedy když se před třemi lety narodila dvojčata Nana a Lulu s genetickou informací změněnou právě pomocí CRIPR/Cas9 technologie.“

► Poslední slovo bude i v tomto případě patřit ženě. Letošní Nobelovu cenu za chemii okomentovala též dr. Karolina Škvárová z Kliniky dětské hematologie a onkologie 2. lékařské fakulty UK a FN Motol:

„Genová editace je technologie, která se v molekulární biologii využívá pro cílenou změnu genetické informace v buněčné DNA. Schopnost pozměnit genetickou informaci v buňkách má rozsáhlé uplatnění napříč takřka všemi biotechnologickými obory. Pravděpodobně nejlákavější využití genové editace je však v medicíně, a to zejména v léčbě pacientů s geneticky podmíněnými chorobami, neboť pomocí tohoto nástroje je možné opravit genové mutace způsobující dané onemocnění.

Samotný princip genové editace není v molekulární biologii nic nového. Již řadu let se vědci pokoušeli vyvinout metody umožňující cílenou manipulaci s nukleotidovou sekvencí DNA v buňce. Tyto metody byly nicméně po většinou málo efektivní, případně technicky velmi náročné, což znemožňovalo jejich širší využití. Až v roce 2012 tým vedený Jennifer A. Doudna a Emmanuelle Charpentier vyvinul unikátní nástroj pro genovou editaci - tzv. systém CRISPR/Cas9, který zejména svou jednoduchostí a vysokou účinností způsobil naprostou revoluci v molekulární biologii. Díky CRISPR/Cas9 se stala manipulace s nukleotidovou sekvencí DNA takřka rutinní záležitostí v molekulárně-biologických laboratořích.

Přestože neuběhlo ani 10 let od objevu systému CRISPR/Cas9, jsme již nyní svědky fascinujících pokroků v mnoha vědních oborech jako např. již zmíněná cílená léčba pacientů s geneticky podmíněnými chorobami, či vývoj zemědělských plodin odolných vůči škůdcům. Lze tedy předpokládat, že objev J. A. Doudna a E. Charpentier, na nějž navazuje práce mnoha dalších vědců, kteří tuto technologii využívají, dříve nebo později ovlivní každého z nás.“

Text: Marcela Uhlíková

Foto: The Nobel prize, DVTV, PřF UK, 2. LF UK