Prof. Virginijus Šikšnys – apie labiausiai džiuginančius laimėjimus ir naujausius tyrimus

Papasakokite, kaip CRISPR-Cas9 technologija vystėsi nuo pat pradžių.

Suprasti, kaip atsiranda technologijos – svarbus ir įdomus klausimas. Žmonės galbūt galvoja, kad mokslininkai ateina į laboratoriją, sugalvoja technologiją, o kitą dieną ji jau yra įgyvendinta. Iš tikro tos technologijos dažniausiai atsiranda ieškant atsakymų į labai bendrus biologinius klausimus – bandant suprasti mus supantį pasaulį ir aplinką. CRISPR-Cas9 technologija yra puikus to proceso pavyzdys, nes atsirado tyrinėjant, kaip virusai sąveikauja su bakterijomis.

Visi žinome, kaip virusai veikia žmones – tai ypač akivaizdžiai parodė COVID-19 pandemija. Tačiau virusai sąveikauja ir su bakterijomis – tai yra akimis nematomas pasaulis, kuriame vyksta tokie pat konfliktai, kaip ir mūsų pasaulyje.

Tam tikri virusai puola bakterijas, kad galėtų pasidauginti. Kitaip tariant, jei nebūtų bakterijų, virusų irgi nebūtų. Kai virusai bakterijoje pasidaugina, jie dažnai tą bakteriją „nužudo“. Vykstant evoliucijai bakterijos išmoko susikurti gynybinius barjerus, kurie leidžia apsiginti nuo viruso, bet jis nuolat stengiasi gynybą įveikti. Kartais tai vadinu „ginklavimosi varžybomis“ – kai kiekviena pusė ieško būdų apsisaugoti nuo priešo arba jį nugalėti, o tai verčia priešą surasti naujų ginklų, ir tai vyksta be galo… Taip virusai ir bakterijos kartu evoliucionuoja.

Ši kova svarbi ir mūsų praktiniame gyvenime. Kai valgome jogurtą, galbūt nedažnai susimąstome (nebent parašyta ant pakuočių), kad jam pagaminti panaudotos gyvos bakterijos. Fermentacijos metu pienas užkrečiamas bakterijomis, kurios gali jį surauginti – paversti jogurtu. Jei į šį procesą patenka virusai, bakterijos nužudomos, fermentacija nueina veltui – tiesiog sugadintas pienas. Ši problema svarbi visai maisto pramonei.

Žmonės, kurie pirmą kartą pastebėjo, kad CRISPR-Cas9 sistemos veikia kaip bakterijų apsauga nuo virusų, dirbo kompanijose, kurios gamina pieno pramonei reikalingas užkrato kultūras. Jie, tirdami bakterijų kultūrų DNR, pamatė, kad bakterijose kažkaip atsiranda viruso DNR gabaliukai. Tada mokslininkai ėmė gilintis, kaip gali būti, kad bakterijos turi viruso DNR segmentų. Galiausiai nustatyta, kad šalia tų sričių, kur įsiterpia DNR fragmentai, yra tam tikri genai. Tai buvo pirmieji duomenys, kad CRISPR sistema apsaugo bakterijas nuo viruso.

O kaip CRISPR-Cas9 susidomėjote jūs?

Mes įsitraukėme 2007 m., kai buvo paskelbtas pirmasis CRISPR-Cas sistemas aprašantis straipsnis žurnale „Science“. Perskaitęs tą straipsnį, labai susidomėjau. Jo autoriai teigė, kad bakterijos turi savo apsaugos sistemą, bet niekas nesuprato, kaip ji veikia. Man buvo smalsu pabandyti tai suprasti. Tada paprašėme straipsnio autorių, kad jie atsiųstų tų bakterijų kultūrų, išsigryninome baltymus ir biocheminiais metodais pradėjome juos tirti.

Suradome, kad vienas iš CRISPR-Cas sistemų baltymų – Cas9 – veikia kaip pagrindinis apsaugos sistemos elementas. Jis gali virusą atpažinti ir sunaikinti. Baltymas atpažįsta užpuoliką panaudodamas trumpą kitos nukleorūgšties RNR molekulę, kuri yra kaip viruso DNR piršto atspaudas. Įvykus atpažinimui, viruso DNR yra sukarpoma. Supratome, kad jei pakeisime tą RNR fragmentą, kuris atpažįsta virusą, galėsime nukreipti Cas9 baltymą į bet kurią DNR vietą. Taip gimė idėja, kad tai gali būti programuojamas įrankis DNR karpyti. Savo pirmame straipsnyje tai ir aprašėme.

Aišku, kadangi atsirado lengvai programuojamas įrankis, mokslininkai iš karto jį paėmė į savo rankas ir pradėjo naudoti kaip įrankį, kuris leidžia kryptingai keisti genomus ne tik bakterijose, bet ir žinduolių ląstelėse.

Noriu pabaigti tuo, nuo ko ir pradėjau – CRISPR-Cas9 technologija atsirado todėl, kad mes ir kiti mokslininkai ieškojome atsakymų į bendrus biologinius klausimus: šiuo atveju norėjome suprasti, kaip bakterijos ginasi nuo virusų. Man atrodo, taip dauguma technologijų ir sukuriama. Viskas prasideda nuo bendrų fundamentinių tyrimų, jų pagrindu atsiranda taikomieji tyrimai, o šių pagrindu atsiranda technologijos. Jei nors vieną grandį eliminuotume, nieko gero nebūtų.

O jus, kaip vieną technologijos pradininkų pasaulyje, kokie CRISPR-Cas9 laimėjimai džiugina labiausiai?

Kaip tik grįžau iš mūsų organizuotos konferencijos „CRISPR-Cas9: nuo biologijos iki įrankių žmonių ligoms gydyti“.

Pirmą straipsnį apie CRISPR-Cas9 paskelbėme 2012 m. Dabar, praėjus vos 11 metų, ši technologija jau atsidūrė klinikoje. Visai neseniai buvo paskelbta, kad Jungtinėje Karalystėje įregistruota pirmoji CRISPR technologija, paremta paveldimų ligų gydymo terapija, kuri gali būti taikoma klinikoje.

Aišku, žmonėms 11 metų gali atrodyti labai ilgai, bet iš tikrųjų tai yra labai trumpas laiko tarpas. Vos per 10 metų pereita nuo biologinio proceso suvokimo iki klinikinių terapijų.

CRISPR-Cas9 visų pirma taikoma paveldimoms genetinėms ligoms, kurios susijusios su pokyčiais DNR molekulėje. Mano minėta terapija, kuri jau aprobuota Jungtinės Karalystės klinikoje, skirta pjautuvinei anemijai ir beta-talasemijai gydyti. Tai iki šiol buvo nepagydomos ir gyvybei pavojingos ligos, o ligoniams dažnai padėdavo tik kraujo perpylimai.

Pjautuvinė anemija yra kraujo liga, kuri atsiranda dėl mutacijos hemoglobino gene. Panaudojant CRISPR-Cas9 technologiją, organizme aktyvuojamas būdas, kuriuo pagaminamas normalus hemoglobinas. Klinikiniai tyrimai parodė puikius rezultatus, daugeliui pacientų jau metus nebereikia transfuzijų. Įsivaizduokite, kaip jiems pagerėjo gyvenimo kokybė.

Gal galite smulkiau papasakoti, kaip veikia CRISPR-Cas9 terapija?

Už raudonųjų kraujo kūnelių gamybą atsakingos kamieninės ląstelės, kurios yra mūsų kaulų čiulpuose. Jei tų ląstelių DNR yra klaida, kuri sukelia hemoglobino mutaciją, tai raudonuosiuose kraujo kūneliuose jau bus hemoglobinas su mutacija, kuri sukels ligą.

Dabar mokslininkai paima kaulų čiulpų ląsteles, laboratorijoje jas pakeičia ir vėl persodina atgal į žmogaus kaulų čiulpus. Pakeistos ląstelės pradeda gaminti gerą hemoglobiną turinčias kraujo ląsteles. Tokia terapija yra ilga ir sudėtinga, bet rezultatas yra puikus. Kitaip žmogus nuo tos ligos negalėtų pagyti.

O kaip yra su genetiniais sindromais, pavyzdžiui – Dauno? Ar įmanoma su CRISPR-Cas9 ir tokias sudėtingas ligas išgydyti, kurios paveikia ne tik fizinius, bet ir intelektinius žmogaus gebėjimus?

Priežastis, kodėl mokslininkai susikoncentravo į kraujo ligas, yra ta, kad kai kurias iš jų, pavyzdžiui, pjautuvinę anemiją, sukelia viena vienintelė mutacija. Ištaisius tą vienintelę mutaciją, žmogus bus sveikas. Kitos ligos, kaip Dauno sindromas, turi genetinį pagrindą, bet tai yra sudėtingi pokyčiai, kurių žmogaus genome yra labai daug. Vienu metu pakeisti visus – sudėtinga. Aišku, galvojama, kaip tai padaryti, bet čia yra ateities klausimai.

Dar viena priežastis yra ta, kad, gydant kai kurias kraujo ligas, ląsteles, kurios atsakingos už, pavyzdžiui, raudonųjų kraujo kūnelių gamybą, galima išimti iš kaulų čiulpų, jas „pataisyti“ laboratorijoje ir sugrąžinti į žmogaus organizmą. Jei norėtume tą pačią terapiją pritaikyti tų ląstelių neišimant – reiktų kitų įrankių.

Pavyzdžiui, jei norime panaudoti CRISPR-Cas technologiją DNR klaidoms kituose audiniuose ar organuose ištaisyti, turime rasti būdų, kaip tą įrankį „nukreipti“ į tam tikrą organą. Kaulų čiulpų ląsteles galima išimti – o smegenų ar širdies juk neišimsi. Taigi tas įrankis, jei jį, pavyzdžiui, suleistume į kraują, turėtų kažkaip specifiškai atpažinti tam tikras ląsteles – kaip kepenų ar smegenų.

Tai mokslininkai ieško būdų, kaip įrankį nunešti į specifinius organus?

Taip. Vienas iš būdų, kurį bandoma pritaikyti, yra paremtas iRNR vakcinų technologija – tą jau daug kas išbandėme. Vakcinose yra lipidų nanodalelės, į kurių vidų įdėta iRNR molekulė, koduojanti tam tikrą baltymą. iRNR yra kaip informacija, pagal kurią susintetinamas baltymas, sukeliantis reakciją, kas vėliau mums suteikia apsaugą nuo tikro viruso.

Mokslininkai turi idėją įdėti genetines žirkles į lipidines daleles ir suleisti kaip vakciną. Šiuo metu jie ieško būdų, kaip jas galėtume nukreipti į tam tikrus organus. Lipidinės dalelės, kaip ir visi riebalai, dažnai savo kelią žmogaus organizme baigia kepenyse. Todėl, kaip minėjau, ir CRISPR įrankiai, supakuoti į lipidines nanodaleles, jau greitai bus naudojami kepenų ligoms gydyti.

Tačiau lieka klausimas, kaip CRISPR-Cas9 nunešti į smegenų ląsteles.

Tam išbandomi įvairūs įrankiai. Mokslininkai nusprendė, kad galbūt galima panaudoti virusus. Yra virusų, kurie mums nepavojingi, nes su jais gyvename, bet juos galima perprogramuoti – kad nešiotų ne genetinę medžiagą, reikalingą virusui pasidauginti, o DNR molekulę, kuri koduoja genų žirkles. O virusai gali būti specifiniai tam tikriems organams ar audiniams – pavyzdžiui, širdžiai, smegenims, akims ir kt. Taip jie galėtų nunešti DNR žirkles į konkretų organą.

Žodžiu, visi stengiasi pastumti terapiją ta kryptimi, kad ląstelių nereikėtų išiminėti, o žmogui būtų galima padėti greitai.

Pakalbėkime apie jūsų tyrimus. Ką dabar tyrinėjate?

Kaip ir sakiau, genų žirkles galima įdėti į virusą, kad nuneštų į reikiamą organą. Bet virusai, kurie taikomi terapijai, turi savų apribojimų. Kai kurie iš jų yra gana nedideli, į juos neįdėsi didelės DNR molekulės. Tiesiog netelpa, o CRISPR-Cas9 įrankis yra gana didelis.

Dabar ieškome įrankių, kurie tilptų į virusą. Vienas iš įrankių, kuriuos aprašėme straipsniuose „Nature“ žurnale (2021 ir 2023 m.), yra labai mažas, palyginti su tradiciniais dabar naudojamais įrankiais. Jis nėra CRISPR sistemų dalis, o ateina iš kitų DNR elementų, kurie vadinami „mobiliaisiais genetiniais elementais“. Iš tikrųjų tai – CRISPR sistemų protėviai. Juose koduojamas mūsų minimalus įrankis. Nustatėme jo funkcijas ir struktūrą. Tikimės, kad tai sukurs papildomas galimybes lengviau „supakuoti“ įrankį į virusus. Dabar mokslininkai aktyviai tai tyrinėja. Be to, toliau ieškome naujų įrankių su unikaliomis savybėmis.

Kaip manote, ar visuomenės informuotumas genų inžinerijos temomis yra svarbu? Ar tai gali padėti gauti daugiau finansavimo tyrimams?

Taip. Lietuva jau turi labai ambicingus planus – kad gyvybės mokslų pramonė 2030 m. pasiektų 5 proc. BVP. Ši sritis dabar vis geriau finansuojama. Tikimės, kad tai pasiteisins ir Lietuva galės tapti aukštųjų technologijų šalimi, kuri išnaudotų dabartinį akademinį ir verslo potencialą.

Aišku, labai svarbu turėti tiesioginį ryšį su visuomene. Mokslininkai galbūt ne visi yra labai geri komunikatoriai, jie kartais kalba per sudėtingai, kad suprastų didžioji dalis visuomenės. Tai, ką darote jūs, yra labai svarbu… Senais laikais, kai daug žmonių nemokėjo skaityti, buvo kategorija žmonių, kurie aiškino Bibliją. Jie skaitydavo Bibliją ir paaiškindavo žmonėms suprantama kalba. Manau, kad jūs ir kiti žurnalistai tai ir darote – bandote paaiškinti visuomenei, ką mokslininkai veikia ir kodėl tai svarbu mums visiems. Juk ryšys su visuomene ir nulemia, ar mokslininkų sukurtos technologijos bus priimtinos žmonėms, ar ne.

Šaltinis: VU / Interviu atliko Goda Raibytė