Kaip atgaivinti dinozaurus?

Juros periodo valdovai – dinozaurai praėjusią vasarą sugrįžo į kino ekranus. Idėjos autorius Styvenas Spilbergas nusprendė pakartoti istoriją, sukurtą prieš daugiau kaip 20 metų. Parkas pavirto Juros periodo pasauliu, o dinozaurai tapo didesni, vikresni ir gudresni. Kai kuriuos mokslininkai net genetiškai modifikavo, papildę kitų gyvūnų genais. Taip jie įgijo sugebėjimų susilieti su aplinka. Įdomu, ar per tuos dešimtmečius mes priartėjome prie šios fantastinės idėjos įgyvendinimo? Ar iš tiesų jau įmanoma atrasti ir išskirti dinozaurų DNR, įterpti šią genetinę medžiagą į roplių kiaušialąstes ir tokiu būdu prikelti iš mirusių?

Apie tai kalbamės su profesoriumi Virginijumi Šikšniu – vienu iš mokslininkų, tobulinančių naujos kartos, itin tikslų DNR – t.y. genomų modifikavimo metodą.

Mes buvome vieni iš pirmųjų, kurie šią naują technologiją surado. Tai gana pamokanti istorija, kokie svarbūs yra fundamentiniai tyrimai. Kai pradėjome savo darbus, neplanavome surasti naujo įrankio genų terapijai arba genomo redagavimui. Norėjome suprasti, kaip bakterijos apsisaugo nuo amžinųjų priešų – virusų.

Bakterijas kaip ir žmones puola virusai. Bakterijų susidūrimas su virusu paprastai yra gyvybės ir mirties klausimas. Jeigu virusas sugeba patekti į bakteriją ir ten pasidauginti, bakterija žūsta. Norėdamos apsisaugoti nuo virusų, jos sukūrė daug apsaugos barjerų. Beje, apie tai esame kalbėję vienoje „Mokslo ekspreso“ laidoje su Lietuvos mokslo premijos laureatais. Mokslininkai ėmė tyrinėti tuos barjerus norėdami suprasti, kaip tai padeda bakterijai išgyventi. Kodėl jie sunaikina viruso DNR, bet nesunaikIna pačios bakterijos DNR?

Prieš kokius aštuoneris metus „Science“ žurnale pasirodė straipsnis, kuriame mokslininkai, tyrinėję bakterijas, plačiai naudojamas jogurtų ir sūrių gamyboje, aprašė naują bakterijų apsaugos prieš virusus sistemą, pavadintą CRISPR. Ta sistema veikia labai įdomiai. Mokslininkai pastebėjo, kad bakterijos, kurias užpuola virusai, dažniausiai žūna. Bet yra bakterijų, kurios išgyvena. Paaiškėjo, kad išgyvenusios bakterijos sugebėjo paimti iš viruso užpuoliko DNR fragmentą ir įsistatyti į savo genomą. Tokiu būdu tos bakterijos į savo genominę atmintį įsirašo užpuoliko profilį.

Jeigu tokia bakterija dar kartą susiduria su tuo pačiu virusu, užpuoliko profilį ji panaudoja kovai su juo. Pagal tą šabloną susintetinamos mažos RNR, kurios ir puola įsiveržėlį.

Mes supratome: užtenka vieno baltymo ir vienos ar dviejų RNR molekulių, kad tos bakterijos galėtų apsisaugoti. Kai supratome kaip tas baltymas veikia, sugalvojome, jog tai puikus įrankis. Taigi, viskas prasidėjo nuo to, kaip bakterijos apsisaugo nuo viruso, o baigėsi naujais genomo redagavimo įrankiais. Tuo mokslas ir įdomus, kad jis neprognozuojamas. Niekada nežinai, kas laukia už kampo.

Kaip puikiai žinome, beveik visų gyvų organizmų, taip pat ir žmogaus vystymosi programa įrašyta DNR molekulėje. Mokslininkai jau prieš dešimtmetį išmoko tą informaciją perskaityti. Jie gali perskaityti DNR kodą, šifruojantį vystymosi programas. Tačiau iki šiol nebuvo įrankių, kurie leistų kodą tiksliai ir greitai pakeisti.

Prieš keletą metų įvyko toks proveržis, kai mokslininkai ir dirbantys Baltymų sąveikos laboratorijoje Biotechnologijų institute surado baltymą, veikiantį kaip molekulinės žirklės. Tas baltymas buvo pavadintas CAS9. Jis gali būti nutaikytas į bet kokią genomo vietą ir su tuo baltymu galima pradėti keisti genomą arba modifikuoti, perrašyti programą, kuri koduoja vystymąsi.

VU Biotechnologijų instituto baltymų sąveikos laboratorijos mokslininkai jau daug metų dirba su baltymais, karpančiais DNR grandines. Jie yra suradę dešimtis tokių fermentų, vadinamų restrikcijos endonukleazėmis arba tiesiog restriktazėmis. Jos kirpdavo DNR grandinę įvairiose vietose, tačiau ne visada ten, kur reikia, ir ne visada tiksliai. Kuo baltymas CAS9 skiriasi nuo baltymų, su kuriais buvo dirbama anksčiau?

Visų pirma tuo, kad šitas baltymas yra programuojamas mažos RNR molekulės. Kai mes tą supratome, pasidarė akivaizdu, kad jeigu tą mažą RNR molekulę pakeisime, baltymą galėsime nukreipti į bet kurią genomo vietą. Atsirado įrankis, leidžiantis mums keisti norimas genomo vietas.

DNR molekulėje informacija įrašyta keturių junginių, žymimų raidėmis, forma. Norint jas perskaityti, reikia perskaityti tam tikrus atomų rinkinius, kurie išsidėstę tų raidžių – heterociklinių bazių kraštuose. Baltymas CAS9 jas perskaito, panaudodamas vandenilinių jungčių tinklą. CAS9 sudėtyje esanti maža RNR molekulė suformuoja vandenilines jungtis su heterociklinėmis bazėmis, panašiai kaip mes suneriame rankų pirštus – komplementarumo principu.

Ta RNR molekulė sudaro kompleksą su baltymu. Ji naudojama nunešti baltymą į konkrečią vietą. RNR veikia kaip adresas, nunešantis baltymą, o CAS baltymas veikia kaip molekulinės žirklės. Toje vietoje, kur jį nugabeno RNR, jis perkerpa DNR grandinę.

Taip mokslininkai įgijo universalų instrumentą – transporto priemonę, nugabenančią molekulines žirkles į norimą genomo vietą. Tokio instrumento jau seniai laukė mokslininkai, mėginantys ne tik suprasti paveldimų genetinių ligų mechanizmus, bet ir siekiantys jas išgydyti.

Daugelis genetinių paveldimų ligų susijusios su tam tikrais pokyčiais DNR sekoje. Pvz., viena raidė pasikeičia į kitą ir toks pokytis gali būti pražūtingas žmogui – sukelti ligą. Norint tą ligą išgydyti, reikia raidę pakeisti į teisingą. Šis įrankis mums leidžia nunešti CAS9 baltymą visiškai šalia klaidingos raidės. CAS9 baltymas perkirps DNR toje vietoje, kuri yra šalia klaidos ir ląstelė, esant tam tikroms sąlygoms, tą klaidą ištaisys. Įstatys teisingą raidę. Tokiu būdu tas baltymas sukuria prielaidas genetinėms ligoms gydyti.

Jau senokai buvo stengiamasi sukurti baltymus, kurie pasiektų tam tikrą genomo vietą. Tam reikia pakeisti kai kurias tą baltymą sudarančias aminorūgštis. Procesas labai kruopštus ir sudėtingas. Negana to, modifikuotas baltymas neretai veikdavo netiksliai. Naujuoju metodu perprogramuoti baltymą labai lengva. Pakanka pakeisti RNR molekulę, nieko nekeičiant pačiame baltyme. Paprastai sakant, pakeičiamas adresas ir CAS9 baltymas nukeliauja ten, kur reikia.

Šis metodas dabar aktyviai taikomas medicinoje ir visų pirma gydant paveldimas genetines ligas. Kol kas viskas vyksta laboratorijoje, ląstelių kultūroje. Kitas žingsnis – perėjimas prie klinikinių eksperimentų.

O dabar grįžkime prie mūsų dinozaurų ir kitų išnykusių gyvūnų, kuriuos būtų labai smalsu pamatyti gyvai. Pavyzdžiui, mamutų, kitų megafaunos atstovų arba bent legendinio karvelio keleivio. Įdomu, kad ši naujoji ir itin efektyvi CAS9 technologija iš principo leidžia įgyvendinti kai kurias fantazijas.

Sunku galvoti apie tai, kad bus realizuota „Juros periodo pasaulyje“ parodyta istorija. Norint išnykusius gyvūnus prikelti, reikalingas genetinis kodas. Dinozaurai išnyko prieš 65 mln. metų ir aišku, kad tose iškasenose DNR molekulių nerandame. T.y. nėra programos, kad galėtume dinozaurus rekonstruoti. Bet su artimesniais išnykusiais gyvūnais, pavyzdžiui, mamutais eksperimentai atliekami.

Kaip žinoma, keletą prieš maždaug dešimt tūkstančių metų gyvenusių mamutų mokslininkai rado amžino įšalo zonoje Sibire. Iš juose aptiktų DNR fragmentų šiuo metu bandoma atkurti mamuto genomą. Jeigu pavyktų, rekonstruotą DNR bus mėginama perkelti į ląsteles-nešėjas ir išauginti mamutą. O kol kas, panaudodami CAS9 technologiją, tyrėjai atlieka paprastesnius eksperimentus.

Mokslininkai dirba su dramblio odos ląstelėmis. Į dramblio odos ląsteles, naudodami CAS technologiją, bando įterpti mamuto genų gabalėlius, koduojančius mamuto plaukų sluoksnį ant odos ląstelių, kitas savybes, būdingas mamutams. Tokiu būdu ši technologija leistų sukurti dramblį, kuris turėtų mamuto požymių. Pavyzdžiui, plaukuotą dramblį.

Kodėl taip sunku atgaivinti prieš šimtus ar tūkstančius metų išnykusius gyvūnus? Todėl, kad įprastai juose randama DNR yra sutrūkinėjusi į labai smulkius gabalėlius. Juos lygindami, ieškodami persidengimų, mokslininkai mėgina rekonstruoti visą DNR molekulę. Amerikietis Robertas Lanca jau žengė pirmą žingsnį šia kryptimi, klonuodamas bantengą – retą jaučių atmainą, kuriai gresia išnykti. Tačiau kol kas dauguma klonų gimsta su įvairiomis ydomis ir apsigimimais. Nepaisant to, manoma, kad ateis laikas, kai atgaivinsime įvairių išnykusių gyvybės formų.

Ketinama pasinaudoti ir statistikos metodais. Pavyzdžiui, mūsų DNR nuo šimpanzių DNR skiriasi tik 1,5 procento. Todėl, kaip teigia prof. Michio Kaku, kompiuteriu palyginus mūsų ir šimpanzių DNR, būtų galima matematinės aproksimacijos metodu nustatyti bendrojo abiejų rūšių pirmtako DNR. Kai hipotetinis bendrojo protėvio genomas bus matematiškai atkurtas, kompiuterio programa atkurs jo išvaizdą ir savybes.

Šiuo metu nagrinėjami kai kurie svarbiausi genai, skiriantys mus nuo šimpanzių. Vienas iš kandidatų yra ASPM genas, nuo kurio priklauso galvos smegenų dydis. Žmogaus smegenys dėl dar nežinomų priežasčių prieš kelis milijonus metų smarkiai padidėjo. Šio geno mutacijos sukelia mikrocefaliją; tada kaukolė būna maža, o smegenys sumažėja 70-čia procentų – iki mūsų senųjų protėvių, gyvenusių prieš milijonus metų, smegenų dydžio. Įdomu, kad šio geno istoriją galima analizuoti kompiuteriu. Nustatyta, kad per pastaruosius 5–6 mln. metų, nuo tada, kai atsiskyrėme nuo beždžionių, jis mutavo 15 kartų; tai sutampa su mūsų smegenų padidėjimu.

Dramblio ir mamuto genomai pakankamai panašūs, kad tokias lyginamąsias analizes būtų galima daryti. Man atrodo, kad šios CAS9 programuojamo baltymo paremta technologija ir yra naudinga tokiai rekonstrukcinei vystymosi biologijai. Kadangi tada galime matyti, kokio geno kokioje vietoj trūksta dramblio genome, o jis yra mamuto genome. Tada tą geną galima bandyti įkelti būtent į tą vietą, kur jo nėra.

Geno vieta genome irgi labai svarbi, nes daugelį vystymosi ypatybių lemia ne vien genai, bet ir jų reguliacija. Pavyzdžiui, beždžionės ir žmogaus genomai mažai skiriasi, tačiau genų reguliavimo mechanizmai Itin skirtingi.

George Church – vienas šios srities korifėjų JAV bando prikelti vieną prieš 50 metų išnykusį karvelį. To karvelio DNR yra prieinama. Jis bando to karvelio DNR perskaityti. Jeigu jo visgi nepavyktų atkurti, tai galbūt įterpiant trūkstamus genų elementus į dabar egzistuojančias karvelių rūšis, būtų galima šitą rūšį prikelti iš mirusiųjų.

Galimas ir kitas kelias, siekiant rekonstruoti dinozaurų DNR. Jau atliekami eksperimentai, kur bandoma atsukti laiko spiralę atgal. Mat iš esmės dinozaurai yra labai tolimi vištų protėviai. Todėl mėginama pakeisti šio paukščio genetinę vystymosi programą, kad jame išryškėtų kai kurie dinozaurams būdingi bruožai. Tokie eksperimentai nėra vien smalsumo tenkinimas. Keisdami genetines programas, mokslininkai gauna žinių, kurios gali būti pritaikytos vystymosi patologijoms gydyti.

Klausimas kyla, kas bus, jeigu panaudodami šį įrankį, bandysime perrašyti žmogaus vystymosi programą ir pradėsim kurti žmones, pasižyminčius tam tikromis savybėmis. Svarstoma, kaip padaryti, kad tas įrankis būtų naudojamas tik gydyti genetines ligas, bet nepavirstų įrankiu, kuriuo sportininkai bandytų pakeisti savo genomus, kad taptų ištvermingesni ir turėtų daugiau raumenų masės.

Neabejotina, kad atsiradus tokiai galimybei, kai kurie žmonės norės pakoreguoti savo būsimų vaikų genomą, kad jų palikuoniai įgytų ypatingų savybių, taip suteikiant jiems pranašumą prieš kitus. Tokia vizija buvo įtaigiai atskleista filme „Gataka“.

Šiuo metu Lietuvos mokslininkai toliau aktyviai dirba su CAS9 baltymu ir bendradarbiauja su JAV kompanija „DuPont Pioneer“, įsigijusia šio metodo licenciją. Technologiją mėginama taikyti augalų biologijos srityje.

Panaudodami šią technologiją, JAV mokslininkai nori pabandyti sukurti augalus, kurie būtų atsparesni šalčiui, sausrai. Kiek bekalbėtume apie problemas, žmonių skaičius Žemėje didėja greičiau, negu galime užauginti maisto. Žemės trūksta ir reikia galvoti apie tai, kad augalai kažkada turės augti druskožemyje ar sausringoje žemėje.

Tai reiškia, kad visų pirma siekiama išvengti moksliniame fantastiniame filme „Tarp žvaigždžių“ nupieštos visuotinio bado Žemėje vizijos. O kai būsime ramūs, kad maisto nepritrūks, galbūt ateis laikas imtis ir dinozaurų rekonstrukcijos. Tad kol kas telieka gėrėtis specialiųjų efektų kūrėjų meistriškumu kino ekrane.

Rolandas Maskoliūnas