برندگان نوبل شیمی ۲۰۲۰

ابزاری با قدرت اثر نامحدود

یکی از جذابیت‌های علم، پیش‌بینی‌ناپذیری آن است؛ هیچگاه از پیش مشخص نیست که یک ایده یا یک پرسش به کجا می‌انجامد. گاهی ذهن کنجکاو با بن‌بست روبه‌رو می‌شود، گاه وارد هزارتویی پر از موانع می‌شود که طی کردن و بیرون رفتن از آن، سال‌ها به طول می‌انجامد. با این حال، ذهن کنجکاو بارها و بارها خود را در موقعیت شخصی می بیند که برای نخستین بار به افقی از احتمالات ناگفته نگاه می‌کند. ویرایشگر ژن موسوم به کریسپر/کاس9 ¹ یکی از چنین کشف‌های غیرمنتظره با قابلیت‌های هیجان‌انگیز است. هنگامی که امانوئل شارپنتیه² و جنیفر دودنا³ بررسی سامانه ایمنی باکتری استرپتوکوک را آغاز کردند، یکی از ایده‌ها این بود که ممکن است شکل جدیدی از آنتی‌بیوتیک را ایجاد کنند. در عوض، ابزاری مولکولی را کشف کردند که می‌توان از آن برای ایجاد برش‌های دقیق در مواد ژنتیکی بهره گرفت و امکان تغییر آسان کد حیات را فراهم کرد.

قیچی‌های ژنتیکی فقط هشت سال پس از کشف، علوم‌زیستی را دگرگون کرده‌اند. اکنون زیست‌شیمی‌دان‌ها و زیست‌شناسان سلولی به‌راحتی می‌توانند عملکرد ژن‌های مختلف و نقش احتمالی آن‌ها را در پیشرفت بیماری بررسی کنند. در اصلاح نباتات، پژوهشگران می‌توانند ویژگی‌های خاصی را در گیاهان پدید آورند، از جمله توانایی مقاومت در برابر خشک‌سالی در آب و هوای گرم. این ویرایشگر ژن در پزشکی نیز، به ابداع روش‌های جدید درمان‌ سرطان کمک می‌کند و پژوهش‌هایی برای درمان بیماری‌های ارثی با استفاده از این ابزار انجام ‌شده است.

نمونه‌های بی‌شمار استفاده از کریسپر/کاس9 کاربردهای غیراخلاقی را نیز دربرمی گیرد. از این‌رو، همانند دیگر فناوری‌های کارآمد، برای قیچی‌های ژنتیکی نیز باید قوانین و مقرارتی تنظیم شوند.

در سال 2011، امانوئل شارپنتیه و جنیفر دودنا، برای نخستین بار در کافه‌ای در پورتوریکو، با هم ملاقاتی کردند بی‌آنکه تصور کنند این دیدار تا چه حد زندگی‌شان را تغییر می‌دهد. داستان را با معرفی شارپنتیه آغاز می‌کنیم که پیشنهاد همکاری را مطرح کرد.



شارپنتیه؛ شیفته باکتری‌های بیماری‌زا

برخی او را کوشا، دقیق و موشکاف توصیف کرده‌اند. دیگران می‌گویند که امانوئل شارپنتیه همیشه به دنبال چیزهای غیرمنتظره است. اما خودش، به نقل از لویی پاستور می‌گوید: «بخت و اقبال در خدمت ذهن آماده است.» اشتیاق به کشف‌های جدید و میل به آزادی و استقلال، در شیوه کار او به شدت چشمگیر است. با در نظر گرفتن دوران تحصیل دکترا در مؤسسه پاستور پاریس، او در پنج کشور و هفت شهر زندگی، و در ده مؤسسه مختلف کار کرده است. با وجود تجربه محیط و رویکردهای مختلف، پژوهش‌هایش یک وجه مشترک دارد: باکتری‌های بیماری‌زا. چرا این باکتری‌ها اینقدر مهاجم هستند؟ چگونه خود را در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم می‌کنند؟ و آیا می‌توان روش‌های درمانی جدیدی یافت که بتواند پیشرفت آن‌ها را متوقف کند؟

شارپنتیه در سال 2002، پس از تشکیل گروه خود در دانشگاه وین، روی یکی از باکتری‌هایی که بیشتر از همه به بشر آسیب‌ زد، یعنی استرپتوکوک پیوژنز⁴ تمرکز کرد. این باکتری هر ساله میلیون‌ها نفر را مبتلا می‌کند که اغلب باعث عفونت‌های قابل‌درمان مانند التهاب لوزه و زردزخم می‌شود. با این حال، ممکن است باعث سیپسمی⁵ - نوعی التهاب ناشی از عفونت که می‌تواند سراسر بدن را فرا‌گیرد - شود و بافت‌های نرم بدن را تجزیه کند که به همین دلیل به بیماری «گوشت‌خوار» نیز شهرت یافته است.

شارپنتیـه برای درک بهتر استرپتوکوک پیوژنز، کـارش را با بررسی کامل چگونگی تنظیم ژن‌های این باکتری آغاز کرد. درهمین حال که شارپنتیه در حال انجام پژوهش‌های دقیقی درباره استرپتوکوک پیوژنز است، دودنا برای نخستین‌بار واژه مخففی را مـی‌شنود و تصور می‌کـند واژه‌ای بر وزن کریسپر است.



علم؛ مسیری به سوی ماجراجویی

جنیفر دودنا از زمان کودکی علاقه‌ای فراوان به دانستن نشان می‌داد. یک روز، پدرش کتاب «مارپیچ دوگانه» اثر جیمز واتسون را به وی داد. این کتاب، داستان چگونگی حل ساختار مولکول DNA به دست جیمز واتسون و فرانسیس کریک بود، به سبک کارآگاهی نوشته شده بود و به هیچ‌یک از کتاب‌های درسی مدرسه شباهت نداشت. او شیفته فرایندهای علمی شد و فهمید که علم چیزی فراتر از واقعیت صرف است.

دودنا در سال 2006 سرپرست یک گروه پژوهشی در دانشگاه کالیفرنیای برکلی بود و تجربه دو دهه کار با RNA همان خواهر مولکولی DNA را داشت و به تازگی وارد زمینه جدید و هیجان‌انگیز تداخل RNA شده بود.

سالیان دراز به نظر می‌رسید که عملکرد کلی و اساسی RNA  درک شده‌ است اما یکباره تعداد زیادی مولکول کوچک RNA  - که به تنظیم فعالیت ژن در سلول کمک می‌کنند - کشف شد. با توجه به زمینه کاری دودنا در سال 2006، یکی از همکارانش با او تماس گرفت تا درباره کشف جدیدی در این زمینه صحبت کند.



باکتری و سامانه ایمنی بسیار قدیمی آن

پژوهشگران هنگام مقایسه ماده ژنتیکی باکتری‌های بسیار متفاوت و همچنین باکتری‌های باستانی یا آرکی‌باکتری‌ها⁶، با توالی‌های مکرر RNA روبه‌رو می‌شوند که به گونه‌ای حیرت‌انگیز، به خوبی حفظ شده‌اند. یک کد یا رمزینه خاص، بارها و بارها ظاهر می‌شود اما بین تکرارها، توالی‌های منحصربه‌فردی وجود دارد که متفاوت هستند، شکل 2. مانند این است که بین هر جمله خاص کتاب، یک کلمه تکرار شده باشد.

به این آرایه‌های توالی‌های تکراری، «تناوب‌های کوتاه پالیندروم فاصله‌دار منظم خوشه‌ای»⁷ یا CRISPR می‌گویند. نکته جالب این است که به نظر می‌رسد توالی‌های منحصربه‌فرد و غیرتکراری موجود در کریسپر با کد ژنتیکی ویروس‌های مختلف مطابقت دارد. بنابراین تفکر فعلی این است که این بخشی از سامانه ایمنی باستانیان است که از باکتری‌ها و باکتری‌های باستانی در برابر ویروس‌ها محافظت می‌کند. فرضیه این است که اگر باکتری توانایی مقابله با عفونت ویروس را داشته باشد و بتواند زنده بماند، قطعه‌ای از کد ژنتیکی ویروس را به‌عنوان حافظه عفونت، به ژنوم خود می‌افزاید.

همکار دودنا می‌گوید هنوز مشخص نیست که همه این‌ها چگونه اتفاق می‌افتد، اما حدس می‌زنند سازوکاری که باکتری‌ها برای خنثی کردن یک ویروس از آن استفاده می‌کنند، مشابه سازوکاری است که دودنا بررسی کرده است، یعنی تداخل RNA.

حس شیفتگی دودنا به مولکول‌ها دوباره زنده می‌شود و او یادگیری همه جانبه‌ای را درباره کریسپر آغاز می‌کند.

علاوه بر توالی کریسپر، ژن‌های خاصی کشف شده‌اند که آن‌ها را «همراه کریسپر» یا «مرتبط با کریسپر»⁸ یا CAS می‌نامند. برای دودنا جالب بود که این ژن‌ها بسیار شبیه ژن‌هایی هستند که پروتئین‌های شناخته شده قبلی را که مخصوص باز کردن و قطع کردن DNA هستند، کد می‌کنند. آیا پروتئین‌های کاس همان عملکرد را دارند؟ آیا RNA ویروس را می‌شکنند؟

وی همراه گروه خود پس از چند سال، عملکرد چند پروتئین مختلف کاس را کشف می‌کند. در همین حال، گروه‌های پژوهشی در دانشگاه‌های دیگر نیز در حال بررسی سامانه تازه کشف‌شده کریسپر/کاس هستند. نقشه‌برداری آن‌ها نشان می‌دهد که سامانه ایمنی باکتری‌ها ممکن است شکل‌های بسیار مختلفی داشته باشد. سامانه کریسپر/کاس که دودنا بررسی کرده، به دسته 1 تعلق دارد؛ ساختار پیچیده‌ای که برای خلع سلاح یک ویروس، به پروتئین‌های مختلف کاس نیاز دارد. سامانه‌های دسته2 بسیار ساده‌ترند زیرا به پروتئین کمتری نیاز دارند. در بخشی دیگر از جهان، شارپنتیه به تازگی با چنین سامانه ای روبرو شده است.



قطعه‌های جورچین (پازل) گرد هم می‌آیند

شارپنتیه در سال 2009 به دانشگاه اومئو در شمال سوئد نقل مکان کرد که آرامش و سکوت فراوانی برای او به ارمغان آورد. وی از RNAهای کوچکی که در استرپتوکوک پیوژنز یافت می‌شوند، نقشه‌برداری کرد. یکی از این مولکول‌های کوچک که به مقدار زیاد در این باکتری وجود دارد، از نوعی ناشناخته بود و کد ژنتیکی آن، به توالی خاص کریسپر در ژنوم باکتری بسیار شباهت داشت. شباهت‌های این دو باعث شد شارپنتیه فکر کند این دو ارتباطی با هم دارند. بنا به تجزیه و تحلیل دقیق کدهای ژنتیکی آن‌ها، بخشی از مولکول کوچک و ناشناخته RNA با بخشی از کریسپر که تکرار می‌شود، مطابقت دارد. این کار مثل پیدا کردن دو قطعه پازل است که کاملاً با هم چفت می‌شوند، شکل 2.

شارپنتیه به‌طور جداگانه نقشه‌برداری از سامانه کریسپر در استرپتوکوک پیوژنز را آغاز می‌کند. قبلا مشخص شده بود این سامانه که از دسته 2 است، فقط به یک پروتئین کاس، به نام کاس برای تجزیه یا برش RNA ویروس نیاز دارد. شارپنتیه نشان می‌دهد که این مولکول ناشناخته که به آن RNA کریسپر فعال‌کننده ترانس⁹ یا (tracrRNA) می‌گویند، نیز عملکرد خاصی دارد. برای اینکه یک RNA طولانی - که از توالی کریسپر در ژنوم ایجاد می‌شود - رشد کند و به شکل فعال درآید، وجود این مولکول ضروری است، شکل 2.

شارپنتیه پس از آزمایش‌های بسیار و هدفمند، خبر کشف RNA فعال‌کننده ترانس را در مارس 2011 منتشر می‌کند. سپس تصمیم می‌گیرد پژوهش‌های خود را در زمینه کریسپر/کاس با یک زیست‌شیمی‌دان ادامه دهد و دودنا را انتخاب می‌کند. آن‌ها در جریان برگزاری یک همایش، به‌طور اتفاقی یکدیگر را ملاقات و برای انجام این پروژه، برنامه‌ریزی می‌کنند.

حدس آنان این است که کریسپر- RNA برای شناسایی DNA ویروس لازم است و کاس9، قیچی‌ای است که مولکول DNA را قطع می‌کند. با این حال، وقتی آن‌ها این آزمایش را انجام می‌دهند، هیچ اتفاقی نمی‌افتد و مولکول DNA دست‌نخورده باقی می‌ماند. چرا؟ آیا شرایط آزمایشی مشکل دارد؟ یا کاس9 عملکرد کاملا متفاوتی دارد؟

پژوهشگران پس از آزمایش‌‌های ناموفق بسیار، سرانجام «RNA کریسپر فعال‌کننده ترانس» را به آزمایش‌های خود اضافه کردند. آن‌ها پیش از این، معتقد بودند که RNA کریسپر فعال‌کننده، فقط برای تقسیم کریسپر- RNA و تبدیل به شکل فعال آن ضروری است اما هنگامی که کاس9 به فعال‌کننده ترانس RNA دسترسی پیدا کرد، آنچه که همه منتظرش بودند واقعاً اتفاق افتاد: مولکول DNA به دو بخش، تقسیم شد.

راه‌حل‌های تکاملی اغلب شگفتی می‌آفریند اما این یکی، در نوع خود بی‌مانند بود؛ سلاحی که استرپتوکوک‌ها به عنوان محافظ در برابر ویروس‌ها تولید می‌کنند که ساده، مؤثر و حتی درخشان است. شارپنتیه و دودنا سازوکار مهمی را در یک باکتری کشف کرده بودند که مشکلات بزرگی برای بشر ایجاد می‌کند.

تاریخچه قیچی‌های ژنتیکی ممکن بود در اینجا به پایان برسد اما این دو تصمیم می‌گیرند قیچی ژنتیکی را ساده کنند. آن‌ها با استفاده از دانش جدید خود در مورد فعال‌کننده ترانس کریسپر RNA و کریسپر-RNA، دریافتند که چگونه می‌توان این دو را در قالب یک مولکول واحد درآورند. آن‌ها این مولکول جدید را RNA راهنما10 نامیدند و با استفاده از این نوع ساده قیچی ژنتیکی، در جریان یک آزمایش دوران‌ساز، بررسی کردند که آیا می‌توان این ابزار ژنتیکی را به گونه‌ای کنترل کرد که DNA را در جای دلخواه برش دهد یا خیر.

آن‌ها روی ژنی که از قبل در فریزر آزمایشگاه قرار داشت، پنج مکان مختلف برای برش را انتخاب می‌کنند. سپس قسمت کریسپر قیچی را به گونه‌ای تغییر می‌دهند که کد آن با کد قسمتی که قرار است برش‌ داده شود، مطابقت داشته باشد، شکل 3. مولکول‌های DNA دقیقاً در مکان‌های درست بریده شدند.

پس از انتشار این پیشرفت در سال 2012، چند گروه دیگر نشان دادند که از این ابزار می‌توان برای اصلاح ژنوم موجود در سلول‌ها، از موش گرفته تا انسان استفاده کرد که به پیشرفت بسیار گسترده‌ای منجر شد. پیش از این، تغییر ژن‌ها در یک سلول، گیاه یا هر ریزموجود دیگر، وقت‌گیر و گاهی غیرممکن بود. دانشمندان به‌طور نظری می‌توانند با استفاده از قیچی ژنتیکی، هر ژنوم دلخواهی را برش بزنند. از این پس، استفاده از سامانه‌های طبیعی سلول برای ترمیم DNA آسان است تا آن‌ها کد حیات را بازنویسی کنند.

از این ابزار برای تغییر DNA سلول‌ها و حیوانات آزمایشگاهی به منظور درک چگونگی عملکرد و برهم‌کنش ژن‌های مختلف (مثلا در دوره بیماری) استفاده می‌کنند. قیچی ژنتیکی به ابزاری استاندارد در اصلاح گیاهان نیز تبدیل شده است. بیشتر روش‌های قدیمی اصلاح ژنوم‌ در گیاه، به افزایش ژن‌هایی برای مقاومت آنتی‌بیوتیک نیاز داشتند. هنگام کاشت این فراورده‌ها، خطر گسترش مقاومت آنتی‌بیوتیکی به ریزموجودات زنده در اطراف وجود داشت. به لطف قیچی ژنتیکی، دانشمندان دیگر به آن روش‌های قدیمی نیاز ندارند زیرا اکنون می‌توانند ژنوم را با دقت بسیار تغییر دهند. از جمله اقدامات برجسته ویرایش آن دسته از ژن‌های برنج بودکه باعث جذب فلزهای سنگین از خاک می‌شود. این کار مقدار سبب کاهش کادمیم و آرسنیک خاک شد و بهبود کیفیت انواع برنج را دربرداشت. همچنین فراورده‌هایی تولید شده است که در شرایط خشکسالی و در آب‌وهوای گرم، بهتر و بیشتر مقاومت می‌کنند و نیزگیاهانی که در برابر حشرات و آفات مقاومت می‌کنند و نیاز به مصرف سموم برای دفع حشرات و آفات برطرف می شود.

بیماری‌های ارثی و پیام‌های نویدبخش

در پزشکی، از قیچی‌های ژنتیکی در روش‌های جدید ایمنی‌درمانی بیماری سرطان استفاده می‌کنند. آزمایش‌هایی نیز برای درمان بیماری‌های ارثی در حال انجام است. با انجام آزمایش‌های بالینی، بررسی می‌شود که آیا می‌توان از کریسپر/کاس9 برای درمان بیماری‌های خونی مانند کم‌خونی سلول داسی شکل، بتا تالاسمی و بیماری‌های ارثی چشم استفاده کرد یا خیر.

همچنین روش‌هایی برای ترمیم ژن‌ها در اندام‌های بزرگ، مانند مغز و عضلات مراحل توسعه را می‌پیماید. آزمایش‌ها روی حیوانات نشان داده است ویروس‌هایی که به‌طور ویژه طراحی شده‌اند، می‌توانند قیچی ژنتیکی را به سلول‌های مورد نظر برسانند و انواع بیماری‌های وراثتی ویرانگر را درمان کنند. با این حال، این فناوری پیش از آزمایش روی انسان، به اصلاح بیشتری نیاز دارد.



ضرورت وضع قوانین و کنترل قدرت قیچی ژنتیکی

در کنار همه مزایای قیچی ژنتیکی، امکان سوءاستفاده از آن‌ها  هم وجود دارد. برای نمونه از این ابزار می‌توان برای ایجاد جنین اصلاح‌شده ژنتیکی استفاده کرد. اما از سال‌های دور قوانین و مقرراتی وجود داشته است که کاربرد مهندسی ژنتیک را کنترل می‌کند و آن دسته از اصلاح ژنوم انسان را که موجب به ارث رسیدن تغییرات می‌شود، ممنوع کرده است. همچنین، همیشه گروه‌های اخلاق باید آزمایش‌هایی را که شامل انسان و حیوان می‌شود، پیش از انجام بررسی و تأیید کنند.

امانوئل شارپنتیه و جنیفر دودنا با کشف خود ابزاری شیمیایی ساختند که علوم زیستی را وارد دوره تازه‌ای کرده است. این کشف افق‌های گسترده‌ای از امکانات تصورنشده را پیش چشمان ما به نمایش گذاشت و همچنان که کاوش در این سرزمین تازه و ناشناخته ادامه می‌یابد به یقین، شاهد کشف‌های تازه و غیرمنتظره‌ای خواهیم بود.

پی نوشت‌ها

1. CRISPR/Cas9   2. Charpentier, E.   3. Doudna, J.   4. Streptococcus pyogenes   5. Sepsi   6. Archae   7. clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR    8. CRISPR-associated, cas   9. trans-activating crispr.  10. guide RNA

منبع

The nobel prize in chemistry 2020

www.nobelprize.org