​​​Объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по химии 2020 года. Ими стали французская микробиолог Эммануэль Шарпентье и ее американская коллега Дженнифер Дудна за развитие метода редактирования генома. Он стал революцией в генетике, биологии и медицине, уже позволил создать принципиально новые методы борьбе с тяжелыми наследственными болезнями. 

Согласно завещанию Альфреда Нобеля, премию по химии должен получить тот, "кто сделает наиболее важное открытие или усовершенствование" в этой области. Напомним, премию присуждает Шведская королевская академия наук (Стокгольм). Ее рабочий орган - Нобелевский комитет по химии, состоящий из пяти-шести членов, которые избираются Академией на три года. Правом номинировать на премию обладают ученые разных стран, включая членов Шведской королевской академии наук и лауреатов Нобелевских премий по химии и физике, которые получили специальные приглашения от комитета. 

Отметим, что в этом году Нобелевскому комитету удалось "обмануть" все прогнозы, которые делали ведущие медиакомпании. Техника гадания нехитрая: в список попадают ученые, которые внесли наибольший вклад в развитие своей области, то есть цитируются в ней чаще других. Казалось бы, все логично, ведь такая арифметика четко показывает значимость работы каждого ученого. И аналитики, как правило, угадывают имена лауреатов. Но проблема в том, чтобы попасть в "десятку" именно в данный год. А вот тут происходит серьезный разброс. Как говорят синоптики, их прогнозы обязательно сбываются, но не обязательно сегодня. 

 
В этом году, по мнению аналитиков, среди лидеров были работы в области нанокристаллов и их разработчики - кореец Хён Тэ Хван, а также американцы Кристофер Мюррей и Маунги Бавенди. Достойны премии и открыватели реакции Бухвальда-Хартвига американцы Стивен Бухвальд и Джон Хартвиг, которые смогли синтезировать многие природные алкалоиды. Еще одним претендентом был японец Макото Фудзита, он собирает трехмерные конструкции из нескольких органических молекул, которые могут служить "молекулярными контейнерами" для других веществ. Стоит запомнить эти имена, так как возможно в следующем году Нобелевский комитет назовет именно их в числе лауреатов премии. Кстати, в 2019 году премия была присуждена американцу Джону Гуденафу, британцу Стэнли Уиттингэму и японцу Акире Йосино за разработку литийионных батарей. Эти ученые несколько лет входили в списки претендентов. И своего дождались. 

 
У самой престижной научной премии есть специфика, которую давно отметили многие ученые, в частности, и наш лауреат Виталий Гинзбург. После получения награды он заметил, что самое трудное - это до нее дожить. Ученый получил премию через много лет после своей работы по сверхпроводимости. И в этом году исследователи вируса гепатита С стали нобелевцами через 30 лет после своего открытия. А самым старым лауреатом на сегодня является Артур Эшкин, который в 2018 году удостоен премии в возрасте 96 лет. 

 
Кстати, средний возраст лауреатов неуклонно растет: если в начале XX века он составлял 56 лет, а у физиков вообще 47, то сейчас приближается к 63 годам. В чем причины старения? Многие ученые по-прежнему совершают открытия в начале своей профессиональной карьеры, однако существуют тысячи людей, которые занимаются примерно тем же самым. Нобелевскому комитету приходится проводить множество проверок, поэтому между совершением открытия и получением награды может пройти очень много лет. Словом, мнения об этом феномене существуют самые разные, но единого пока нет. 

 
Среди отечественных ученых только один лауреат премии по химии: Николай Семенов, награжденный в 1956 году за исследования в области механизма химических реакций. 

 
Юрий Медведев 

Нобелевская премия 2020 по химии. Объявление лауреатов 

***

Как система CRISPR/Cas9 разрезала эпоху ДНК на до и после

Для чего бактериям и археям «фотороботы» бактериофага, как нацеливать «генетические ножницы», можно ли из них выбрасывать «детали» и чем они передают «правки» ДНК — Indicator.Ru рассказывает, в чем суть технологии, принесшей химическую Нобелевку этого года

Еще со времен расшифровки структуры ДНК Уотсона и Крика, получивших Нобелевскую премию в 1962 «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи», ученые всего мира лелеяли мечты переписать генетическую информацию. Только представьте: изменив генетический код, можно вылечить наследственные заболевания, спасти от рака, на новом уровне повелевать клеточными культурами и модифицировать гены будущей еды или другого органического сырья по своему желанию. До недавних пор все это оставалось заманчивой, но далекой и туманной перспективой. Совместить ее с реальностью можно было в рамках узких экспериментов и со множеством оговорок: не все работало на людях, а риск внести случайные нежелательные опечатки в ДНК-инструкции был слишком высок. Настоящим прорывом в генетическом редактировании стала технология CRISPR/Cas9, за развитие которой Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудне присудили Нобелевскую премию по химии 2020 года.

Палиндромы из йогурта

История этого открытия началась в далеком 1987 году, когда впервые была обнаружена необычная повторяющаяся структура в геноме нашей старой знакомой, кишечной палочки Escherichia coli, главной модельной бактерии, которая давно полюбилась экспериментаторам. Пять почти одинаковых последовательностей длиной 29 пар оснований (тех самых «букв» А, У, Г и Ц, которыми в структуре ДНК написан генетический код), в том числе участки из 14 пар оснований, обладающих симметрией второго порядка, между которыми были изменчивые вставки в 32 пары оснований. Годы спустя похожую структуру нашли в геноме археи галофильной (буквально «любящей соль») Haloferax mediterranei, у которой оказалось 14 почти идеально одинаковых участков генома по 30 пар оснований, повторявшиеся через определенный промежуток. Похожие повторы-перевертыши вскоре обнаружились у многих прокариот, или организмов без ядра, и получили название CRISPR (от английского clustered regularly interspaced short palindromic repeats, или «сгруппированные регулярно прерывающиеся короткие палиндромные повторы»). Рядом с ними находились гены специфических белков, которые явно были взаимосвязаны с функционированием этой системы. Все семейство таких белков прозвали Cas, или CRISPR-ассоциированными.

Биологи были заинтригованы: вероятность, что подобные вставки сохранились на столь отдаленных ветвях древа жизни случайно или возникли так много раз независимо, стремилась к нулю. Слишком энергозатратно было бы копировать и передавать потомкам миллиарды лет бесполезный механизм. Если последовательность изменяется медленно (консервативна), значит, это зачем-нибудь нужно. Оставалось выяснить, зачем. Хотя интересовало это не всех: компания Danisco, к примеру, ничтоже сумняшеся использовала загадочные последовательности для патентования своих йогуртовых заквасок задолго до того, как функция загадочных палиндромов была расшифрована.

Неожиданным поворотом стало открытие происхождения последовательностей CRISPR: все они оказались копиями, оригиналы который хранились в геномах бактериофагов. И хотя для этих «поработителей» прокариотической жизни важнейшей целью было доставить свой геном в бактерию и заставить ее размножать вирусный наследственный материал, с имеющими CRISPR-фрагменты в своей ДНК бактериями этот трюк не работал. Поэтому 2005 год ознаменовал начало новой эры в генетике: участки CRISPR оказались «молекулярной памятью» о предыдущих нападениях, дающие их носителям… иммунитет. На этот момент уже было известно, что при считывании генетической информации CRISPR превращается в длинную РНК, которая затем разрезается в повторяющихся участках на небольшие кусочки. Появилась гипотеза, что эти кусочки становятся ключом к распознаванию вражеских вирусных фрагментов особой защитной системой, работающей наподобие РНК-интерференции у эукариот (организмов, у которых в клетках есть ядро).

Генетические ножницы в деле

Доказать гипотезу помогли изящные эксперименты, результаты которых были опубликованы в 2007 году. Биологи заразили колонии Streptococcus thermophilus опасными бактериофагами, выделили «выживших» и проанализировали их CRISPR-кассеты. Как и ожидали ученые, стрептококки записали на них «фоторобот преступника» — сохранили вставки из генома бактериофага, который их недавно атаковал. Удаление этих последовательностей или выключение cas-генов лишало бактерии иммунитета, а пронырливые фаги, обзаведясь мутациями в регионе, с которого были скопированы вставки, могли скрываться от бактериального «правосудия».

Предполагаемый механизм работы системы CRISPR, 2009 год

James atmos/Wikimedia Commons

Позже было открыто два класса систем CRISPR. У первого класса Cas-белки собираются в огромный CRISPR-ассоциированный комплекс противовирусной защиты (Cascade — от Cas и complex for antiviral defence), у второго образуется один многодоменный белок Cas9, состоящий из модулей с разными функциями и связывающийся с уже упомянутыми кусочками РНК (crRNA). Как выяснилось в экспериментах на Staphylococci epidermidis, мишенью для систем CRISPR служит первоначальная вирусная ДНК, а не молекула РНК, играющая промежуточную роль в процессе синтеза белка по генетическим ДНК-инструкциям. Фрагменты «вставочной» РНК (спейсеры) Cascade брал «в плен» для опытов, чтобы на их основе распознать ДНК вируса и порубить ее на куски. Более того, бактериальный иммунитет научился не резать собственные вставки вместо соответствующей им вражеской ДНК. Это удается благодаря коротким последовательностям вокруг протоспейсеров, или «будущих вставок», еще не извлеченных из вирусного генома (protospacer adjacent motifs, или PAM). Система CRISPR использует их для «наведения» на свою мишень — не только чтобы уничтожать, но и чтобы добавлять новые вставки в свою коллекцию.

Систему второго класса изучили у Streptococcus thermophilus и Streptococcus pyogenes. В их обороне участвовало четыре белка семейства Cas (и соответствующих им гена, пишущихся с маленькой буквы): кодируемые генами Cas1, Cas2, Csn2 белки занимались приобретением и «монтажом» новых вставок, тогда как без белка с гена Cas5 или Csn1, позднее переименованного в Cas9, не работало разрезание вражеской ДНК.

Сложности взросления и альтер-эго crRNA

Дальше — больше: работая с тем же Streptococcus pyogenes, глава лаборатории молекулярной инфекционной медицины в Университете Умеа (Швеция) Эммануэль Шарпантье в 2011 году выяснила, что с участка на противоположной CRISPR-региону цепи ДНК «выше по последовательности» на 210 пар оснований производилось множество молекул РНК длиной 25 «букв», из которых 24 соответствовали повторяющемуся участку CRISPR-региона. По правилу комплементарности (связей между парными «буквами», которые и держат две цепи ДНК вместе) такая РНК должна была связываться с незрелой криспр-РНК (crRNA). Шарпантье увидела, что при удалении участка, где новая РНК была закодирована, как и без белка Cas9, криспр-РНК не достигает «взрослого», рабочего состояния. Она выдвинула гипотезу, что Cas9 становится якорем, помогающим незрелой криспр-РНК связаться с ее «альтер-эго», которую назвали транс-активирующей криспр-РНК, и только вдвоем эти две молекулы РНК сможет узнать белок, который помогает ее «взрослению», разрезая ее на кусочки.

Но может ли криспр-РНК использоваться для наведения режущего белка на нужные нам последовательности? С этого вопроса началось судьбоносное сотрудничество между Шарпантье и Дженнифер Дудной, профессором биохимии и молекулярной биологии в Калифорнийском университете Беркли. Вместе они изучили две важные функции транс-активирующей криспр-РНК: запуск созревания криспр-РНК и активирование работы Cas9-ножниц, разрезающих вражескую ДНК, похожую на криспр-РНК фрагменты. Они исследовали процесс более подробно. Разрез происходил очень точно, на три пары оснований «выше» PAM-последовательности, но мутации в этом мотиве нарушали слаженный процесс только если речь шла о двуцепочечной ДНК. Когда цепь была одна, мутации в PAM (как мы помним, нужном системе наведения) роли не играли. Это означало, что тот был необходим, чтобы расплетать двуцепочечную спираль. При этом Cas9 работал как двойные ножницы, где каждый домен резал свою цепочку ДНК, хотя и в соответствующих друг другу (и вставкам из картотеки криспр-РНК) местах.

Они определили на криспр-РНК и транс-активирующей криспр-РНК рядом с PAM по небольшому участку, которые были совершенно необходимы для работы ножниц Cas9. Соединив такие незаменимые фрагменты, Дудна и Шарпантье задумали создать химерную одиночную направляющую РНК — проводника с непререкаемым авторитетом, которому Cas9 должен повиноваться в выборе участков для разрезания. Эксперименты подтвердили, что такая конструкция возможна. Таким образом, в руках ученых оказался фермент из двух компонентов, Cas9 и одиночной направляющей РНК. Второй компонент можно было менять, делая мишенью ножниц любые фрагменты ДНК по своему усмотрению, а единственным ограничением была последовательность PAM, без которой двойную спираль было не распутать. «Наша работа описывает семейство эндонуклеаз (режущих ДНК ферментов — прим. Indicator.Ru), которые используют двойную РНК для разрезания ДНК в специфических местах, и отмечает возможность применения систем для РНК-программируемого геномного редактирования», — за такой скромной и замысловатой формулировкой авторов скрывалась прорывная технология с невероятными перспективами.

Дорогая редакция

Уже в начале 2013 года появились первые экспериментальные подтверждения, что CRISPR/Cas9 породила жизнеспособную технологию, которая работала и в дрожжах, и у дрозофил, и у круглых червей Caenorhabditis elegans, и у рыбок данио-рерио, и у резуховидки Таля. Удалось получить варианты Cas9 с другими требованиями к PAM, а также заставить комплекс Cas вслед за криспр-РНК нападать на мРНК противника — не уничтожать «ген-оригинал», но и белок с него не давать синтезировать.

Еще один элегантный метод первичного редактирования и вовсе позволил заменять неугодный участок ДНК на другой. Он работает на основе Cas9-никазы, то есть ножниц, режущих только одну из цепей ДНК (для этого домен, отвечающий за вторую цепь, инактивируется). При этом одиночная направляющая РНК не только ведет ножницы к цели, но и содержит дополнительный кусочек инструкций — образец для исправлений. К никазе Cas9 присоединяется обратная транскриптаза — вирусный фермент, который позволяет «переводить» буквы РНК в ДНК (обычно в клетках все происходит наоборот). В итоге ножницы нового типа производят один высокоточный разрез в нужном месте и контролируют подмену одного фрагмента на другой (иногда даже одной буквы на другую).

При помощи ножниц Cas9 и биоинженерной одиночной направляющей РНК ученые могут узнавать о функциях генов, исследовать мутации и их сочетания, модифицировать культурные растения, лечить серповидноклеточную анемию, β-талассемию и другие наследственные заболевания. Но с большой силой приходит большая ответственность: CRISPR/Cas9 заставляет по-новому взглянуть на этические, социальные и другие последствия редактирования генома. Первые пациенты уже здоровы, но насколько широко эта технология распространится в медицине, мы пока не знаем. Ясно только одно: самые головокружительные возможности еще впереди и скучно точно не будет.

Екатерина Мищенко

 

Источники

Нобелевку по химии дали за "генетические ножницы"
Труд (trud.ru), 07/10/2020
Долгожданный "Нобель" за метод редактирования ДНК. Как эта технология изменит мир?
Телеканал Дождь (tvrain.ru), 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии присудили за методы редактирования генома
ТВ Центр (tvc.ru), 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии присудили за метод редактирования генома CRISPR/Cas9
ТАСС, 07/10/2020
Кто и за что получал Нобелевскую премию по химии
ТАСС, 07/10/2020
Нобелевский лауреат надеется на то, что ее пример вдохновит девушек на занятие наукой
ТАСС, 07/10/2020
Названы лауреаты Нобелевской премии по химии
ТАСС, 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии 2020 года присудили за изобретение "генетических ножниц"
Русская служба BBC (bbc.com), 07/10/2020
Известны лауреаты Нобелевской премии по химии
Россия К (tvkultura.ru), 07/10/2020
"Нобелевку" по химии присудили за развитие метода редактирования генома
Российская газета (rg.ru), 07/10/2020
"Нобелевку" по химии присудили за развитие метода редактирования генома
Российская академия наук (ras.ru), 07/10/2020
Нобелевские лауреаты по химии в 2020 году
РИА Новости, 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии присудили за исследования генома
РИА Новости, 07/10/2020
Две женщины получили Нобелевку по химии за создание "генетических ножниц"
РБК (rbc.ru), 07/10/2020
"Открыли новую эру". Ученые пояснили, за что дали Нобелевку по химии
РБК (rbc.ru), 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии дали за создание метода редактирование генома
Популярная механика (popmech.ru), 07/10/2020
Объявление лауреатов Нобелевской премии по химии (прямая трансляция)
Поиск (poisknews.ru), 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии присудили за развитие метода редактирования генома
Парламентская газета (pnp.ru), 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии вручили исследователям "ножниц ДНК"
Общественное телевидение России, 07/10/2020
Нобелевский комитет поддержал редактирование генома человека
Наука 2.0 (naukatv.ru), 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии присудили за прорыв в генной инженерии
Московский Комсомолец (mk.ru), 07/10/2020
Нобель по химии 2020: кто изменил код жизни курицы-несушки
Московский Комсомолец (mk.ru), 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии дали за разработку метода редактирования генома
Коммерсантъ. Новости информ. центра, 07/10/2020
"Нобель" по химии присужден за разработку метода редактирования ДНК
Индикатор (indicator.ru), 07/10/2020
Названы лауреаты Нобелевской премии по химии 2020 года
Известия (iz.ru), 07/10/2020
Нобелевскую премию по химии присудили за создание "генетических ножниц"
Известия (iz.ru), 07/10/2020
"Нобеля" по химии дали за редактирование генома
Газета.Ru, 07/10/2020
Редакторы генома: лауреатами Нобелевки по химии стали француженка и американка
Вести.ru, 07/10/2020
Изобретателей метода редактирования геномов наградили Нобелевской премией
Аргументы и Факты (aif.ru), 07/10/2020
Объявление лауреатов Нобелевской премии по химии. Прямая трансляция
Аргументы и Факты (aif.ru), 07/10/2020
Режем по живому
Коммерсантъ (kommersant.ru/nauka), 07/10/2020
Революция в эволюции: Нобеля по химии дали за "генетические ножницы"
Известия (iz.ru), 07/10/2020
Новая эпоха в генетике. Что эксперты говорят о "нобелевском" методе редактирования генома
ТАСС, 07/10/2020
Гены, ножницы, бумага: за что в 2020 году дали Нобелевскую премию по химии
Индикатор (indicator.ru), 07/10/2020

Похожие новости

  • 03/10/2016

    Названы возможные претенденты на получение Нобелевской премии

    ​​3 октября весь мир будет пристально следить за сообщениями из Стокгольма, где будут объявлены имена первых нобелевских лауреатов 2016 года. Однако еще до их объявления в мире строятся прогнозы по поводу возможных кандидатов.
    2030
  • 03/02/2017

    Академику Дмитрию Кнорре и профессору Сиднею Альтману присуждена Большая золотая медаль РАН имени М.В. Ломоносова 2016 года

    ​31 января 2017 года  Президиум РАН постановил присудить Большую золотую медаль Российской академии наук имени М.В. Ломоносова 2016 года академику РАН Дмитрию Георгиевичу Кнорре  ​и профессору Сиднею  Альтману.
    2485
  • 28/09/2016

    СО РАН: победительницы конкурса L'OREAL-UNESCO «Для женщин в науке»

    23 сентября 2016 года состоялось заседание жюри. Были выбраны победительницы конкурса 'Для женщин в науке' 2016 года. Имена стипендиатов программы российского конкурса 'Для женщин в науке' L’OREAL – UNESCO: Егорова Ксения Сергеевна, Институт органической химии им.
    2103
  • 17/10/2019

    Мир в Эритрее и супер-батареи: комментарии экспертов по каждой из Нобелевских премий

    Медицина: обойтись без кислорода Когда вручили: 7 октября Кто получил: Уильям Келин, Грегг Семенца (США), Петер Ратклифф (Великобритания).   За что: исследования адаптации клеток к недостатку кислорода.
    533
  • 05/10/2019

    Определены победительницы конкурса «Для женщин в науке» L'OREAL - UNESCO 2019 года

    ​Победительницами конкурса "Для женщин в науке" L'OREAL - UNESCO 2019 года стали 10 ученых из Москвы, Казани, Новосибирска, Томска и Владивостока. Каждая из них получит стипендию в 500 тыс. рублей, говорится в сообщении на сайте конкурса, опубликованном 4 октября.
    2491
  • 09/10/2018

    Нобелевские премии — 2018

    Лазерные прорывы  Нобе­лев­скую пре­мию по физи­ке 2018 года, о при­суж­де­нии кото­рой было объ­яв­ле­но 2 октяб­ря, для ТрВ-Нау­ка ком­мен­ти­ру­ет канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.
    480
  • 07/11/2017

    В Чикаго прошла конференция Российско-американской ассоциации ученых

    ​Участники ежегодной конференции Российско-американской ассоциации ученых (Russian-American Scientists Association, RASA-USA) обсудили вопросы развития российской науки и вспомнили о достижениях великих русских ученых.
    1241
  • 15/05/2019

    Аспирантка ТПУ представила нательные электронные сенсоры из оксида графена на конкурсе U-NOVUS

    ​В Томске в рамках форума U-NOVUS-2019 прошел очный этап конкурса разработок молодых ученых. На нем в Доме ученых свои проекты презентовали студенты, аспиранты и научные сотрудники вузов региона. Томский политехнический университет представила аспирантка Анна Липовка.
    1304
  • 23/08/2018

    Разработка новосибирских ученых включена в «100 лучших изобретений России»

    ​Сотрудники Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН и Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН получили диплом от Федеральной службы по интеллектуальной собственности в номинации "100 лучших изобретений России-2017".
    984
  • 28/04/2017

    Аспирант ТПУ выиграла одну из 13 стипендий Европейской федерации медицинской химии

    ​​Аспирант Института физики высоких технологий Томского политеха​ Ксения Станкевич выиграла престижную стипендию Европейской федерации медицинской химии. Эта стипендия дает ей право стать участником Европейской школы по медицинской химии, которая этим летом пройдет в Италии.
    2390