Gen tahriri uchun Nobel mukofoti. Qanday qilib biokimyochilar genlarni ko‘rish, balki ularga teginishga ham erishdi?

2020-yilning kimyo yo‘nalishi bo‘yicha Nobel mukofotini genlarni tahrirlashda ishlatiladigan CRISPR/Cas9 usulining kashfiyotchilari – Emmanuel Sharpantye va Jennifer Dudnaga nasib etdi. Ushbu usul biologiya yo‘nalishida, umuman, ilm-fanda so‘nggi yillardagi eng shov-shuvli voqea bo‘ldi. “Daryo” Meduza nashrining genetik kasalliklarni real davolash texnologiyasiga to‘g‘ridan to‘g‘ri yo‘l ochgan kashfiyot haqidagi tahliliy maqolasini tarjima tariqasida taqdim etadi. 

Ushbu yangi metod allaqachon rak kasalligini davolashda o‘simlik va mikroorganizmlarning genlari bilan ishlashning eski va ishonchsiz yo‘llari o‘rniga qo‘llab kelinmoqda va bu biokimyoning revolyutsiyasiga sabab bo‘ldi. Umuman olganda, genlarni tahrirlash ilm-fanning aynan Nobel mukofotini kutish mumkin bo‘lgan yo‘nalishidir. Qo‘mita a’zolarining qaroridagi eng qiziq narsa, ehtimol, sovrinning CRISPR ishi uchun berilgani emas, balki uni kimga bergani va kimga bermaganidir.

Uzoq kutilgan CRISPR, ya’ni Cas9 gen tahrirlash tizimi uchun Nobel mukofoti haqida yozish qandaydir tushunarsiz tarzda yoqimli hislarni uyg‘otdi. Xuddi mukofotni sizga berishmadi va yangi texnologiyalarda o‘z qo‘llaringiz bilan ishlashning imkoni bo‘lmadi (ushbu tizimlarni o‘rganishda juda katta hissa qo‘shgan ko‘plab yaqin hamkasblar bo‘lishiga qaramay). Biroq bu kashfiyotning istiqboli va uning Science jurnalidagi maqolasidan Nobel qo‘mitasining press-relizigacha bo‘lgan tezligi odamni hayratda qoldiradi.

Yana bir his borki, uni tasvirlash sal qiyinroq: bundan oldinroq siz CRISPR/Cas9 haqida asosiy tahliliy maqolani yarimkinoyali (“ushbu harflarni eslab qoling”) sarlavha bilan e’lon qilib, unda Nobelni eslab o‘tasiz va to‘rt yil o‘tib u Nobel mukofotini qabul qilib oladi. Ehtimol, haqiqat shundan iboratki, bunday narsalar ilm-fan rivojiga ergashuvchilarga katta, tezkor, amaliy ahamiyatga ega bo‘lgan, shuningdek, shaxsiy yutuqlarga bo‘lgan unutilgan e’tiqodni – XIX asr ruhidagi narsalarni singdiradi.

Ilm-fan oxirgi o‘n yillikda ko‘proq jamoaviy, uzoq vaqt oluvchi va tashkiliy tomondan qiyin bo‘lgan ishga aylanib qoldi va bu faqatgina fizikada emas, balki boshqa yo‘nalishda ham shunday. Bir necha yil ichida shunchaki qarashlardan odamlardagi klinik sinovlarga va buning ortida Nobelga erishish bunday kam sonli istisnolar orasida ajralib turadi va yoqimli hislarni uyg‘otadi.

Aslida nima uchun genni tahrirlash usuli kerak?

Massachusets texnologiya instituti professori Erik Lander o‘zining muhim tarixiy tavsifida yozadi: “CRISPR singari butun biologiyani tezda egallab olgan boshqa bir kashfiyot haqida eslash qiyin”. Qanday qilib bunchalik balandparvoz gaplar kelib chiqayotganini tushunish uchun biologlar o‘zlarining asosiy obyektlari bo‘lgan tirik jonzot va ularning genlari bilan qanday aloqa qilishini tushunib olish kerak.

Agar istalgan biologiya darsligining DNK, RNK, oqsil sintezi va boshqa murakkab molekulyar jarayonlar haqida so‘z boradigan bo‘limiga qarasangiz, u yerda, odatda, juda chiroyli, yorqin va eslab qolish oson bo‘lgan rasmlarga ko‘zingiz tushadi: ribosoma genning RNK nusxasi bo‘ylab yurib, bir vaqtning o‘zida sintez qilingan oqsilni o‘rab oladi; boshmaldoqli qo‘lqopga o‘xshash DNK-polimeraza DNK bo‘ylab harakatlanadi va uning yangi nusxasini ishlab chiqaradi – shunga o‘xshash boshqa narsalar.

Intuitiv ravishda aytolamanki, bularning barchasi olimlarning mohirlik bilan ushbu tirik tizimni alohida naychaga ajratib olishlari va juda chiroyli bo‘lgan molekulyar mashinalarning bir-biri bilan qanday aloqada bo‘lishini juda kuchli mikroskop orqali tekshirishlari natijasida paydo bo‘lgan ko‘rinadi. Biroq bizning qo‘limizda batafsilroq (va yaxshiroq) kitob bor ekan, unda bu chiroyli (va hatto to‘g‘ri) chizmalar kamroq joy egallaydi va eritma, jadvallarning tavsiflari va har xil genlarning oq-qora dog‘li fotosuratlari, aksincha, ko‘payadi.

Hamma gap shundaki, molekulyar biologlar anatom, zoolog yoki fiziologlardan farqli o‘laroq, nima bilan ishlashini o‘z ko‘zlari bilan ko‘ra olmaydi (yaqin-yaqingacha bu umuman ilojsiz edi). Albatta, hujayradan ko‘proq miqdorda DNK ajratib olib, quritib, unda nima borligini ko‘rishga harakat qilsa bo‘ladi (u oq dokaga o‘xshaydi), ammo bundan hech qanday ma’no yo‘q. Molekulyar biologlar qanday qilib alohida oqsil molekulasi kerakli gen hududini topib, unga kirishib, uni qanday faollashtirib yuborganini kuzatishi imkonsiz.

Ammo buni tajriba orqali kuzatish mumkin, buning uchun aynan o‘sha dog‘larning gendagi joylashuvini kuzatish kerak bo‘ladi. Organizmning ishi qanday o‘zgarishini ko‘rish uchun biologlar nozik pinset yordamida DNKdagi bir nechta “harflarni” olib, o‘z qo‘llari bilan o‘zgartira olishmaydi, lekin u buni naychada ko‘r-ko‘rona, tabiatning o‘zi evolyutsiyada ishlab chiqargan vositalar yordamida amalga oshirishi mumkin. Bunday vositani topish, undan qanday foydalanishni tushunish va bu ish uchun uni to‘g‘ri qo‘llash esa alohida masala.

2012-yilda Dudna va Sharpantye CRISPR/Cas9 “molekulyar qaychi”si yordamida DNKni maqsadli kesish texnologiyasini taqdim etishidan oldin ham, albatta, biologlar turli yo‘llar bilan DNK manipulyatsiyasi bilan kurashib, ba’zi organizmlarning genlarini tahrirlagandi. Bu hech bo‘lmaganda GMO haqida munozaralar ushbu ishdan ancha oldin boshlanganidan tushunarli, ammo qandaydir tarzda bu organizmlarni yaratish kerak edi, demak, buning uchun vositalar bo‘lgan edi.

Biroq bu yerda eng muhimi tafsilotlarda yashiringan. Ular o‘sha paytda mumkin bo‘lgan va imkonsiz bo‘lgan chegaralar juda xira edi: masalan, agar genomni tahrirlash uchun nimadir qilmoqchi bo‘lsangiz, bakteriyalardan ba’zi bir hujayrali qo‘ziqorinlarga o‘tkazilsa, u holda siz barcha kerakli jihozlar arsenalini o‘zgartirishingiz kerak bo‘ladi va bundan nimadir chiqishi haqiqatdan uzoqroqdir.

Eng keng tarqalgan genetik modifikatsiya – bakteriyalarning o‘zgartirilishi shunchalik sodda protsedura bo‘lib, uni har qanday qiziqqon o‘quvchiga bir necha soat ichida o‘rgatish mumkin (hujayra + bufer + DNK + termostatda bir yarim daqiqa, keyin esa muzda shuncha vaqt). Agar bakteriyalardan, misol, drozofillarga o‘tadigan bo‘lsak, ana unda murakkab vositalar va uzoq protseduralar kerak bo‘ladi. Sichqonni o‘zining genida insonning irsiy kasalligiga mos keladigan mutatsiya qo‘shish laboratoriyada bir necha oy vaqt oladigan vazifadir. Agarda bu ish inson hujayralarida iz qoldirmasdan qilishni xohlashsa, biologiyada bu vazifa xuddi astronomlarniki kabidek ko‘rinadi, ammo ushlashning iloji yo‘q.

Umuman olganda, Nobel qo‘mitasining katta formulasida “genlarni tahrirlash” nimani anglatishini tushunish uchun bu kashfiyotdan oldin nima qilishni iloji bor bo‘lganini tushunish kerak. Bu juda ham qiyin, chunki bunda butun molekulyar-biologik arsenal nazarda tutilmoqda. Biroq bu imkonsiz emas, amaliy jihatdan buni qilish mumkin. 2012-yilgacha genlarni tahrirlash ming xil vosita va katta tajriba talab etadigan san’at darajasida bo‘lgan bo‘lsa, 2012-yildan keyin to‘g‘ridan to‘g‘ri texnologiyaga aylandi: DNKning kerakli bo‘lagini sintez qilasiz, bir-ikki genetik tuzatishlar kiritib, uni hujayraga joylaysiz va qarabsizki, tahrirlangan gen tayyor.

Bu qanday ishlaydi?

Talaffuz qilish qiyin bo‘lgan CRISPR/Cas9’ning ortida ushbu vositaning abbreviatura yotadi. CRISPR – bu bakterial genomlarda uchraydigan g‘alati takrorlanishlar, (inglizchada clustered regularly interspaced short palindromic repeats), ya’ni intervalgacha bo‘lgan klasterli qisqa palindromik takrorlanish. Oddiy tilda aytganda, bu ma’lum bir bakteriya yoki uning ajdodlari duch kelgan va qanday qilib yo‘q qilishni biladigan viruslarning genomik kartotekasidir.

Cas9 ushbu tizimning bir qismi bo‘lib, u odatda bunday kartotekalar yonida joylashgan genlarning biri bo‘ladi, u aslida viruslarni yo‘q qiluvchi oqsilni kodlaydi. Bu viruslarga hujum qilish va ularning DNKlarini yo‘q qilish uchun kartotekadan olingan qo‘llanma RNKlarda foydalangan ferment hisoblanadi. CRISPR tizimi o‘z vazifasi jihatidan va ma’lum darajada tuzilishi jihatidan yuqori hayvonlarda RNK-aralashuv tizimiga o‘xshashdir, faqat ikkinchisi taqdirning g‘alati irodasi bilan o‘rganish osonroq bo‘lgan bakteriyalar tizimidan ilgari topilgan.

CRISPR tizimlari turli bakteriyalar uchun farq qiladi va aslida, ular nafaqat bakteriyalarga, balki arxeylarga ham xosdir – aynan ularda u 1993-yilda ispan tadqiqotchisi Fransisko Moxiko tomonidan kashf etilgan va o‘rganilgan edi. Cas9 bu kabi tizimlarning barchasida emas, balki ularning eng oddiylarida (II tip) – keyinchalik genomik tahrirlash uchun keng qo‘llaniladigan tizimlarda uchraydi.

I tipdagi tizim sal qiyinroq va turfa xil bo‘lib, unda ko‘plab komponentlar mavjud, ammo genni tahrirlash uchun ular qo‘llanilmaydi, bunga sabab esa ularning o‘ta qiyinligidir. Shunga qaramay, hozirgi kunda bizning insoniy muammolarimizni hal qilish vositasi sifatida qaraladigan ushbu vositalarning barchasi odamlar bilan bog‘liq bo‘lmagan tadqiqotlar davomida topilgan va buning uchun, albatta, “saraton kasalligini davolash” so‘zi bilan yozilgan arizalarga qaraganda kamroq pul berilganini ham yodda tutish kerak.

Aqlbovar qilmas ilmiy musobaqada kim g‘olib bo‘ldi?

Bugun Nobel mukofotiga sazovor bo‘lgan ish, aslida, 2012-yilda boshlangan edi. Ammo 1993-yilda Mojikoning birinchi maqolasi nashr etilganida va 2012-yilda Sharpantye va Dudnaning maqolasi nashr etilganida ularning kashf etilishi uchun juda muhim bo‘lgan narsa sodir bo‘ldi, tafsilotlarga to‘xtalmay buni aytib berishning iloji yo‘q. Ma’lumot o‘rnida, kashfiyotning butun tarixi 2016-yilda MTI professori Erik Lander tomonidan batafsil tahlil qilingan va uning shaxsiy qarashlari Dudna va Sharpantyening keyingi izohlari bilan to‘g‘ri keladi.

Eng asosiysi, CRISPR tadqiqotlari bilan bog‘liq voqealar juda tez sodir bo‘ldi: dastlab, juda uzoq vaqt davomida hech kim bakterial genlarda g‘alati takrorlanishlarga e’tibor bermadi. Keyinchalik, asta-sekin kelib chiqishi rus bo‘lgan fransuz biologi Aleksandr Bolotin, virusolog Yevgeniy Kunin, Danone uchun yogurt ishlab chiqarishda ishtirok etgan fransuz tadqiqotchilari va boshqa ko‘plab olimlarning ishlari mavzuga tanqidiy e’tiborni jalb qildi. Asta-sekin bu mavzu qanchalik muhim va katta ahamiyatga ega ekani aniqlashib bordi va 2012-yilga kelib, haqiqiy aqlbovar qilmas musobaqa boshlandi. Virusga qarshi immunitetning bakterial tizimidan universal genomik qaychi yaratishda birinchi bo‘lish poygasi shu qadar tezlikda sodir bo‘ldiki, u tom ma’noda kunlar va oylar davom etdi.

2012-yil boshida muammoni hal qilishga ikki guruh yaqinlashdi: hozirgi sovrindorlar Dudna va Sharpantye guruhi va litviyalik biokimyogar Virginiya Shiksnis guruhi. Oxir-oqibat ikki guruh ham bir xil narsani bajara oldi: bakterial fermentni naychada zarur bo‘laklarga bo‘lishni o‘rgandi. Quyida Erik Landerdan iqtibos keltiramiz:

“Shiksins o‘z maqolasini 2012-yilning 6-aprelida Cell jurnalida e’lon qildi. Olti kun o‘tib esa jurnal maqolani o‘zaro kelishuvsiz rad etdi (ortga nazar tashlaydigan bo‘lsak, Cell muharriri maqola juda muhim deb aytgan edi). Shiksnis qo‘lyozmani qisqartirdi va 21-may kuni Proceedings of the National Academy jurnaliga topshirdi, u 4-sentabr kuni internetda nashr etildi. Bu Sharpantye va Dudnaning maqolasiga juda qo‘l keldi.

Shiksnisdan 2-oy o‘tgach (8-iyun), Science’ga yuborilgan qo‘lyozma bir oydan kam vaqt ichida ko‘rib chiqildi va 28-iyun kuni internetda nashr etildi. Ikkala guruh ham texnologiyaning imkoniyatlarini aniq angladi, Shiksnis “bu kashfiyotlar universal dasturlashtiriladigan RNK-boshqaruvli DNK endonukleazalarini rivojlanishiga zamin yaratmoqda”, deb ta’kidlagan bo‘lsa, Sharpentye va Dudna “RNK dasturlashtirilgan genom tahriri uchun tizimdan foydalanish imkoniyatlarini” ta’kidladi.

Erik Landerni bu yerda xolis deb bo‘lmaydi: ushbu maqolada u nafaqat AQShdan uzoq bo‘lgan litvalik olimning (yaqinda tan olingan, hech bo‘lmaganda Kavli mukofoti shaklida), shuningdek, u birinchi marta shunga o‘xshash tajriba o‘tkazgan bo‘lajak hamkasbi Feng Jangni keyingi ustunligini himoya qildi. Faqat sinov naychalarida emas, balki haqiqiy tirik hujayralarda ham. Ajablanarlisi shundaki, bularning barchasi bir yilda sodir bo‘ldi: Jangning maqolasi 2013-yil yanvar oyida e’lon qilindi.

Skoltex va Ratgers universiteti professori Konstantin Severinov

“Rasmiy ravishda, Sharpantye, Dudna va hammualliflarning ishi viruslarga qarshi bakterial himoya tizimidan dasturlashtiriladigan nukleazalar, ya’ni DNK orqali kerakli joyda tishlaydigan “qaychi” yaratishda foydalanish mumkinligini birinchi bo‘lib ko‘rsatdi. Boshqa barcha texnologiyalar shundan kelib chiqdi. Bu Nobel mukofoti uchun yetarli bo‘ladimi-yo‘qmi, bu alohida mavzu. Albatta, bu yerda litvalik Virginiya Shiksnis guruhi olimlari juda o‘xshash tajribalar o‘tkazgani va juda o‘xshash narsalarni namoyish etgani bilan bog‘liq ba’zi bir farazlar mavjud.

Yana ularning ishi (ko‘rib chiqish paytida) ushlab turilgani haqida ba’zi bir xunuk hikoyalar mavjud, ammo kim va qanday qilib – bu noma’lum edi, shuning uchun Dudna va Sharpantyening asarlari birinchi bo‘lib Science’da paydo bo‘ldi va Shiksnisning ishlari keyinchalik kamroq nufuzga ega jurnal PNAS’da chiqdi. Shu sababli, men bu yerda Feng Jangni emas, balki Shiksnisni e’tiborsiz qoldirmoqdaman (uning ustuvorligini Erik Lander himoya qiladi). Biroq haqiqat shundaki, aynan Feng birinchi bo‘lib bu ishni tirik hujayralarda ko‘rsatib berdi”.

CRISPR poygasidagi tadqiqotchilarning turli guruhlari endi texnologiya atrofidagi patent nizolarida qatnashmoqda, ammo qandaydir obyektivlikka erishish harakatlari muvaffaqiyatsizlikka uchraydi. Har bir tomon allaqachon o‘z fikrini bildirgan va voqealarning mustaqil ishtirokchilari deyarli doim sukut saqlashadi. Yevgeniy Kunin Meduza’ga Nobel qo‘mitasining bugungi e’loniga izoh berishdan bosh tortdi, Aleksandr Bolotin “bu ro‘yxat juda uzun, mukofotlanganlar ko‘p bo‘ladi”, degan so‘zlardan boshqa hech narsa aytolmasligini bildirdi va Virjiniya Shiksnisdan izoh olishning imkoni bo‘lmadi. Yana bir istisno – Jorj Cherch edi, u Feng Jangga o‘xshash asarni 2013-yil boshida nashr etdi. Science bilan suhbatda u bu tanlovdan juda mamnunligini aytdi va “Feng Jang shunchalik ijodiy g‘oyalarga to‘lganki, kelajakda u bir yoki ikkita (Nobel mukofoti) olishiga shubha qilmayman”.

Raqobat o‘z yo‘liga, ammo u asosiy maqsaddan chalg‘itmasligi kerak – sakkiz yil oldin insoniyat genlarni tuzatish uchun noyob vositaga ega bo‘lgan edi va bu kim tomonidan va qachon ixtiro qilingani unchalik muhim emas. Oxir-oqibat, biror-bir olim Nobel mukofoti uchungina ilm-fan bilan shug‘ullanganini tan olmagan.