Chociaż ingerencja w genom ludzki wciąż wzbudza wiele kontrowersji i problemów natury moralnej czy etycznej, to trzeba przyznać, że wykorzystanie narzędzi inżynierii genetycznej w walce z chorobami, zwłaszcza tymi najgroźniejszymi, jest niezwykle obiecujące.

Hakowanie zazwyczaj kojarzy nam się z informatyką czy programowaniem i odnosi się do łamania pewnych kodów czy zabezpieczeń. Ale czy ten termin jest zarezerwowany tylko dla dziedzin informatycznych? Najnowsze odkrycia w zakresie biologii molekularnej i inżynierii genetycznej wskazują na to, że nie. Tak się składa, że człowiek (a także wszelkie inne istoty żywe oraz wirusy) posiada kod genetyczny. W związku z tym, czy mamy możliwość hakowania tego kodu? Czy możemy coś z niego wyciąć? Coś wkleić? Coś pozamieniać? Aby odpowiedzieć na te pytania najpierw musimy uporządkować kilka istotnych informacji.

Kod genetyczny człowieka
Naszym kodem jest DNA, czyli występujące po sobie kolejno nukleotydy kodujące w pierwszym etapie transkrypt, z którego następnie w procesie translacji powstają funkcjonalne cząsteczki naszego organizmu – białka. DNA jest nośnikiem naszej informacji genetycznej. To od cech zakodowanych w postaci DNA zależy czy jesteśmy brunetami, czy blondynami, jaki mamy kolor oczu, czy wykazujemy większą podatność na pewne choroby oraz cały szereg biologicznych cech.

DNA przybiera formę podwójnej, prawoskrętnej helisy. Zbudowane jest z zasad azotowych połączonych wiązaniami wodorowymi oraz reszt fosforanowych i reszt cukrowych połączonych wiązaniami fosfodiestrowymi, tworząc w ten sposób podstawową cegiełkę – nukleotyd. Całe DNA określa się jako genom człowieka. Genom zbudowany jest z trzech miliardów par zasad, a ich miejscem jest jądro komórkowe.

Genom człowieka zbudowany jest z trzech miliardów par zasad.

Kod genetyczny wykazuje pewne cechy, albowiem jest: trójkowy – trzy kolejne nukleotydy tworzą kodon, czyli podstawową jednostkę kodującą aminokwas; zdegenerowany – jeden aminokwas może być kodowany przez więcej niż jeden kodon; jednoznaczny – jeden kodon koduje tylko i wyłącznie jeden aminokwas; bezprzecinkowy – między kodonami nie występują żadne przerwy; niezachodzący – kolejne trzy nukleotydy są częścią tylko jednego kodonu; uniwersalny – sposób kodowania u niemal wszystkich organizmów żywych jest taki sam (istnieją jedynie nieliczne wyjątki od tej zasady).

Mutacje powodują awarie
Wydawać by się mogło, że taki nośnik jak DNA jest idealny, stabilny, a wszystko co jest związane z naszą molekularną maszynerią transkrypcyjną i translacyjną powinno działać bez zarzutów. Oczywiście byłoby wtedy zbyt pięknie, a ludzi nie dręczyłyby nowotwory czy choroby genetyczne. Jak więc dochodzi do awarii?

Za awarie odpowiedzialne są różnego rodzaju mutacje genetyczne. Mogą one być indukowane pod wpływem pewnych czynników: UV, promieniowanie jonizujące, niektóre alkaloidy i wiele, wiele innych. Ale mogą też pojawiać się spontanicznie. Może dojść do tego, że pojedyncze nukleotydy wypadną. Albo że zostaną wstawione nowe, zupełnie niepotrzebnie. Mogą pojawiać się różnego rodzaju mutacje związane ze strukturą chromosomów (najbardziej skondensowana forma materiału genetycznego w komórce) oraz z ich liczbą w naszych komórkach.

Jakie są konsekwencje takich mutacji? Przeróżne. Poczynając od praktycznego braku zmian, idąc przez pojawienie się chorób metabolicznych, a kończąc na ciężkich chorobach genetycznych oraz śmierci. A jeśli już wspomniałam o chorobach genetycznych, to pragnę zaznaczyć, że zazwyczaj należą one do najbardziej skomplikowanych i uciążliwych chorób jakie znamy. I nie są to jednostki chorobowe wywołujące pojawienie się pojedynczego objawu, a wywołujące całe kaskady zmian metabolicznych w organizmie. Nie istnieje jeszcze lek na którąkolwiek z chorób genetycznych, a leczenie jest tylko objawowe, pozostawiając tym samym chorych bez szansy na zdrowie. Coraz częściej słyszymy, że ktoś z naszego otoczenia cierpi na nowotwór, a takie choroby również związane są z mutacjami.

Nie istnieje jeszcze lek na którąkolwiek z chorób genetycznych, a leczenie jest tylko objawowe.

Jedną z najpowszechniejszych mutacji, wywołującej nowotwory, są mutacje punktowe genu kodującego białko p53. Białko to pełni rolę czynnika transkrypcyjnego, odpowiedzialne jest za mechanizmy naprawcze DNA oraz indukuje apoptozę (programowana śmierć komórki). Śmiało możemy stwierdzić, że białko p53 stoi na straży fundamentalnych procesów zachodzących w komórkach naszych ciał. Zatem, gdy ulegnie mutacji, nasz molekularny strażnik zapada w sen, zapominając o tym, że ma nas chronić. Jesteśmy wtedy pozbawieni części mechanizmów naprawczych DNA, a co groźniejsze – nasze komórki mogą nadużyć tej wolności i zacząć się dzielić w szaleńczym tempie, bo przecież mechanizm apoptozy został zdezaktywowany. A jeśli komórki zaczynają się zbyt szybko dzielić, rozpychać w tkance, dostawać do układu krwionośnego i zapominają, czym jest śmierć, oznacza to, że mamy do czynienia z nowotworem. Jedna mutacja punktowa, jednego białka, a ile szkód potrafi wyrządzić!

Oczywiście, w przypadku nowotworów mamy do dyspozycji całą paletę różnorodnych terapii, poprzez wlewy cytostatyków czy naświetlania, jednak tego typu leczenie nie jest obojętne dla zdrowych tkanek, a chorzy niestety czasem nie są w stanie ponieść takich kosztów zdrowotnych. Zatem warto byłoby działać u źródła, precyzyjnie i skutecznie.

Magazyn kopii zamiennych
I tu na ratunek przychodzi biotechnologia oraz jej narzędzia w postaci inżynierii genetycznej. W dzisiejszych czasach jesteśmy w stanie wygenerować sztucznie pewne sekwencje nukleotydowe, więc teoretycznie możemy sobie sprawić magazyn części zamiennych DNA. Ale dużym problemem jest kwestia wycięcia wadliwych sekwencji w DNA naszych komórek. Cięcie musi być niezwykle precyzyjne, a wadliwa część szybko usunięta. W puste miejsce musimy wprowadzić sprawną część zamienną i tu również pojawia się problem natury technicznej, czyli co możemy zrobić, by ta zamienna część została wstawiona w odpowiedniej orientacji oraz w odpowiednim miejscu. Jeżeli chodzi o orientację, to możemy do cięcia użyć odpowiednio zaprojektowanych enzymów restrykcyjnych. Więcej problemów jest z dostarczeniem sprawnych kopii na miejsce.

Tu pojawia się kilka możliwości. Po pierwsze wektory, czyli transportery kwasów nukleinowych. Najczęściej w tym celu stosuje się wirusy pozbawione właściwości chorobotwórczych. Wykorzystywana jest ich zdolność do infekowania komórek. Po drugie, liposomy, najczęściej znane z reklam kremów, ale mogące pełnić dużo poważniejsze funkcje. W ich wnętrzu możemy zamknąć pożądaną sekwencję. Wykorzystując ich chemiczne właściwości zyskujemy takie profity, jak łatwość pokonywania barier biologicznych, a także integrowanie się z błonami biologicznymi. Dodatkowo możemy zmodyfikować ich ładunek elektryczny na odpowiednio dodatni – DNA samo w sobie ma ładunek ujemny – i przyłączyć do nich komórki układu immunologicznego, co sprawia, że nasza paczka trafi bez problemu na miejsce. Niestety, metoda liposomowa nie cieszy się największą popularnością, bo mimo dużej swobody jej modyfikacji, efektywność jest na dosyć niskim poziomie. Ale nadal trwają prace nad jej udoskonaleniem i może kiedyś to właśnie liposomy będą w stanie pomóc nam w ciężkich chorobach.

Molekularne nożyczki
Wspomniane metody są stale ulepszane, jednak promykiem nadziei stało się zupełnie nowe podejście, o którym ostatnio zrobiło się głośno. Mowa oczywiście o CRISPR-Cas. CRISPR to sekwencja skupionych, regularnych, krótkich powtórzeń palindromowych, które oddzielają obce sekwencje DNA, związane z genami dla białek Cas. Upraszczając, jest to system, w którym organizm uczy się, jakie patogeny go zaatakowały wcześniej, wbudowując obce DNA do swojego genomu, a w momencie ponownego wtargnięcia patogenu do organizmu, ten od razu wie jak się go pozbyć.

Prostota metody CRISPR-Cas plasuje ją na pierwszym miejscu wśród narzędzi do naprawy materiału genetycznego.

Oczywiście taki proces zaobserwowano u bakterii, ale u ludzi można go w całości zmodyfikować w ciekawy i użyteczny sposób. Otóż endonukleaza Cas stanowi niezwykle precyzyjne molekularne nożyczki. Jesteśmy w stanie uzyskać cięcie podwójnej nici z dokładnością do jednego nukleotydu. Na dodatek w tym samym czasie, gdy wadliwa sekwencja jest usuwana, CRISPR pozwala na jednoczesne wbudowanie pożądanego odcinka nukleotydowego. Tak naprawdę większość pracy w tej metodzie wykonuje za nas sama biologia. My jedynie dostarczamy konstrukt, a reszta robi się sama. Prostota metody CRISPR-Cas plasuje ją w tym momencie na pierwszym miejscu wśród narzędzi do naprawy materiału genetycznego.

Narzędzia inżynierii genetycznej dają ogromne pole do popisu w walce z wieloma chorobami, zwłaszcza tymi najgroźniejszymi. Jak pięknie wyglądałby świat, gdybyśmy mogli kilkoma małymi zastrzykami pozbyć się nowotworów czy innych chorób. Niestety, w praktyce metody te nie są tak doskonałe jak wygląda to w teorii, a przed naukowcami jeszcze wiele pracy.

Ponadto ingerencja w genom ludzki wciąż wzbudza wiele kontrowersji i problemów natury moralnej czy etycznej. Nie zmienia to jednak faktu, że być może stoimy o krok od zwycięstwa o lepsze jutro, o lepsze życie i o lepszych nas.

Nauka rozwija się w oszałamiającym tempie, może więc już jutro usłyszymy w programach informacyjnych, że właśnie możemy zacząć korzystać z osiągnięć inżynierii genetycznej w walce z nowotworami, a chorzy nie muszą już przejmować się kosztami konwencjonalnych terapii.