ستتغير طبيعة الجنس البشري قريبًا. ستكون هذه التغييرات جذرية وسريعة - لم تكن هناك مثل هذه الأشياء في تاريخ جنسنا البشري. انتهى فصل واحد من قصتنا للتو ويبدأ الفصل التالي.
ستكون الثورة في الوجود البشري ممكنة بفضل تقنية وراثية جديدة تحمل الاسم غير المؤذي كريسبر (يُنطق "كريسبر"). قد يكون العديد من القراء قد رأوا هذا الاسم بالفعل في الأخبار ، وسوف تلتقطه وسائل الإعلام الرئيسية الأخرى قريبًا. ترمز CRISPR إلى التكرارات المتناظرة القصيرة المتباعدة بانتظام والمتباعدة (تكرارات متناظرة قصيرة ، متباعدة بانتظام في مجموعات). إن كريسبر بالنسبة لعلم الجينوم هو ما يعنيه vi (محرر نصوص مرئي على يونكس) بالنسبة إلى البرامج. كريسبر هي تقنية لتحرير الجينوم تمنح المهندسين الجيني فرصة غير مسبوقة: فهي تحولهم إلى قراصنة جينات. قبل ظهور تقنية كريسبر ، كانت الهندسة الوراثية بطيئة ومكلفة وغير دقيقة. الآن ، يمكن إجراء تحرير الجينوم بثمن بخس ودقيق وقابل للتكاثر.
هذا النص هو سرد غير تقني لتاريخ تطوير كريسبر. سنتحدث أيضًا عن تقنية Gene Drive [1] ، وهي تقنية بيولوجية ، عند استخدامها بالاقتران مع تقنية CRISPR ، تمنح المهندسين الجينات قوة أكبر. لقد أضفت أدناه بعض الروابط للمهتمين بالتعمق في هذا الموضوع - يمكنك قراءتها للحصول على التفاصيل الفنية. في النهاية ، سأتحدث بإيجاز عن الآثار والآفاق المترتبة على هذه التقنيات.
دعنا نلقي نظرة سريعة على المعلومات الأساسية. يمكن النظر إلى الشفرة الجينية ، الموصوفة في الحمض النووي ، على أنها برامج تؤدي إلى ظهور جميع أنواع الحياة الموجودة على كوكبنا. يدرس علماء الوراثة طرق فك تشفير الجينوم ، لكن كل شيء معقد بسبب حقيقة أن لديهم فرصة ضئيلة جدًا لتغيير هذا الرمز. على سبيل المقارنة ، تخيل لو كان لدى مطوري البرامج إمكانية الوصول إلى عدد كبير من البرامج القوية للغاية التي بالكاد يفهمونها والتي لا يمكنهم تغيير كودها. ولكن إذا ظهرت القدرة على تعديل الشفرة ، وتمكن العلماء من تعديل "البرامج الجينية" ، فيمكن عندئذٍ أخذ البحث على محمل الجد. ستتاح للمهندسين الفرصة ليس فقط لتغيير الكود ، ولكن أيضًا لإصلاحه وتحسينه. سيظهر المتسللون مرة أخرى.
سيكون من الأسهل فهم هذه التقنية المذهلة إذا اكتشفت مصدرها. في الثمانينيات ، قام العلماء في جامعة أوساكا بتسلسل الحمض النووي لبكتيريا إي كولاي ولاحظوا شيئًا غريبًا. يتكون الحمض النووي من سلاسل طويلة من النيوكليوتيدات ، وداخلها كانت تكرر مجموعات من متواليات نوكليوتيد غريبة كانت في غير مكانها. بدوا وكأنهم تم مقاطعتهم بواسطة خيوط عشوائية من الحمض النووي. مع مرور الوقت ، تم العثور على مجموعات مماثلة في العديد من البكتيريا الأخرى وحصلت على اسم CRISPR (هذا الاسم يصف بإيجاز ما اكتشفه العلماء). ومع ذلك ، لم يكن أحد يعرف ما كان وما هي وظائف هذا الاكتشاف.
هناك العديد من الاكتشافات التي أعطت العلماء إجابات لهذه الأسئلة ، لكن الأمر يستحق تسليط الضوء على اثنين من أهمها. أولاً ، استخدمت ثلاث فرق مختلفة مؤخرًا قواعد بيانات جديدة للمواد الجينية ولاحظت أن خيوط كريسبر هذه تشبه الحمض النووي الفيروسي غير العادي. ثانيًا ، توصل عالم الأحياء التطوري الرائع من المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية ، إيفجيني كونين ، إلى استنتاج رئيسي مفاده أن هذه آلية بكتريولوجية للحماية من الفيروسات. أدت هذه الفكرة في النهاية إلى صياغة الغرض من كريسبر.
نحن البشر نحارب البكتيريا والفيروسات المختلفة باستمرار ، لذلك قد يفاجئنا أن البكتيريا والفيروسات نفسها كانت تقاتل من أجل بقائها على قيد الحياة لمليارات السنين. تقتل الفيروسات كل يوم تريليونات وتريليونات البكتيريا (تسمى الفيروسات التي تهاجم البكتيريا العاثيات). يتمكن معظم الناس من التعامل مع العاثيات ، ويرجع الفضل في ذلك إلى حد كبير إلى "السلاح" الذي نملكه بعد عدة آلاف من السنين من التطور - المناعة. اتضح أن كريسبر سلاح فعال للغاية يمكن لجهاز المناعة استخدامه.
اسمحوا لي أن أكون واضحا بشأن نقطة واحدة لتجنب الالتباس. ناقشنا سابقًا أن كريسبر هي وصف لبعض خيوط الحمض النووي غير العادية. لاستخدام هذه السلاسل كآلية دفاع أو لتعديل الجينوم (المزيد حول هذا لاحقًا) ، أنت بحاجة إلى أداة تسمى Cas. إذا قرأت عن بروتينات Cas ، فقد ترى أيضًا Cas9 (أو Cas3 ، إلخ) مذكور. تسمى المجموعة الكاملة من هذه الأدوات أحيانًا CRISPR / Cas ، لكنها عادةً ما تقول فقط CRISPR ، وهو المصطلح الذي ألتزم به.
دعونا نناقش كيف يعمل كل شيء. عندما تتمكن البكتيريا باستخدام كريسبر من مقاومة الهجمات الفيروسية ، فإنها تستخدم بروتينات كاس لالتقاط أجزاء من الحمض النووي الفيروسي وإدخال هذه الأجزاء في الحمض النووي الخاص بها. إذا كان الفيروس سيئ الحظ بما يكفي لمهاجمة مثل هذه البكتيريا المعدة جيدًا ، فإن هذه البكتيريا ذاتها تستخدم سلسلة كريسبر كنمط للتعرف على الفيروس وتستخدم كاس لتفتيت الفيروس إلى جزيئات غير ضارة.
هذه آلية رائعة جدا. تنسخ بروتينات Cas جينات CRISPR الفيروسية من الحمض النووي الخاص بها إلى جزيئات RNA (مثل DNA و RNA مهم جدًا لتسجيل بنية الجينوم) ، بسبب تكوين بنية تتكون من بروتين Cas و RNA. بعد إنشائه ، يبدأ هذا الهيكل بالتجول حول الخلية. عندما تصطدم هذه البنية بجزيء آخر ، فإنها تتحقق لمعرفة ما إذا كانت تحتوي على DNA ، وإذا وجدت ، فإنها تقرأ تسلسل النوكليوتيدات. إذا تطابق هذا التسلسل مع سلسلة CRISPR المخزنة ، فهذا يعني أنه تمت مصادفة فيروس معروف. ثم يتم التقاط الحمض النووي الريبي (RNA) وتقوم إنزيمات CAS بشق الحمض النووي الفيروسي مثل المقصلة (أو قتله إذا كنت تريد أن تعتقد أن الفيروسات على قيد الحياة). إذا كان كل هذا يبدو بالنسبة لك وكأنه نوع من الخوارزمية المناعية التي تنفذها كيانات من علم الأحياء ، فأنت على حق بشكل عام:
CRISPR.() // ( CRISPR.) CRISPR.cas9.() // CRISPR.cas9.() //
CRISPR.wander() - until encounter another molecule If (new molecule contains DNA and DNA matches CRISPR.dna) CRISPR.cas9.grab() // nab the viral dna CRISPR.cas9.chop() // kill the virus! continue
رائع ، أليس كذلك؟ فك رموز هذا اللغز يمكن أن يجلب لمؤلفه درجة الدكتوراه أو يجعل أستاذًا مساعدًا أستاذًا ، ولكن يمكنك الآن الحصول على جائزة نوبل لذلك - بعد كل شيء ، نحن نتحدث عن اكتشاف يمكن أن يغير مصير البشرية. الشيء هو أن عدة فرق مختلفة عملت بشكل مستقل على ذلك (وهم الآن يتنافسون مع بعضهم البعض [2]) ، ونزلت نظرة ثاقبة لا تصدق على كل من هذه الفرق. لقد أدركوا أن جهاز المناعة الذي نشأ من ملايين السنين من التطور يمكن أن يحدث ثورة في الهندسة الوراثية. إذا أتيحت الفرصة للعلماء لاستخدام آلية كريسبر ، فيمكنهم عزل وقطع الحمض النووي بدقة. علاوة على ذلك ، بمساعدة كريسبر وبروتينين مختلفين من نوع Cas9 ، يمكنهم قطع مقاطع كاملة بدقة من الهياكل العشوائية. بالتأكيد ،هذه ليست سوى نصف مهمة تحرير الجينوم. بعد إزالة التسلسل غير المرغوب فيه ، ستحتاج إلى إدخال الجينات التي نحتاجها في مكانها. كما اتضح ، الأمر بسيط للغاية. تحتاج فقط إلى إدخال الجين (الجينات) الذي تريد استبدال الأجزاء المحذوفة به ، وستقوم إنزيمات الاستعادة الموجودة بالفعل بتجميع كل شيء من تلقاء نفسها.
من أروع الأشياء في تقنية كريسبر أنها متعددة الاستخدامات (على عكس معظم طرق تحرير الجينوم الموجودة بالفعل - فهي تعمل مع عدد محدود من الكائنات الحية). من الناحية النظرية ، يمكن أن تعمل تقنية CRISPR مع أي شكل من أشكال الحياة (الأرضية).
دعنا نفكر للحظة في مقدار الخير الذي يمكن أن تقدمه تقنية كريسبر لمستقبل البشرية. سنكون قادرين على تحييد أعدائنا في مملكة الحيوان. سنكون قادرين على علاج الأمراض الوراثية. ربما يمكننا تطوير علاج ضد أي مرض فيروسي أو بكتيريولوجي ، وسيكون هذا العلاج فرديًا وفعال للغاية. ربما يمكننا حتى إيجاد علاج للسرطان. و (أو ربما ينبغي أن نقول "لكن") ستتاح لنا الفرصة لخلق الناس "بأمر فردي" ، أو ، في هذا الصدد ، أي شكل آخر من أشكال الحياة.
هذه هي تقنية CRISPR - أقوى تقنية هندسة وراثية تم إنشاؤها على الإطلاق. ومع ذلك ، تسمح لنا تقنية CRISPR بتغيير جين واحد فقط وكائن حي واحد فقط في كل مرة. لإجراء تغييرات على مستوى العرض الكامل ، تتطلب تقنية CRISPR تقنية أخرى: Gene Drive. دعنا أولاً نحدده ثم نجري استطراداً سريعاً ولكن مناسبًا ونتحدث عن أحد أشهر الاختراقات في تاريخ البرمجة.
مفهوم Gene Drive موجود منذ حوالي 15 عامًا. تنتشر إصدارات معينة من الجينات (المعروفة أيضًا باسم الأليلات) عبر الأجيال في الأنواع التناسلية. هذا يعني أن الأليل موروث من قبل كل نسل مع احتمال بنسبة 50٪ (بشرط أن يكون لدى أحد الوالدين هذا الإصدار المعين) ، حيث أن نصف الحمض النووي للنسل يأتي من كل من الوالدين. لذلك ، إذا كان لدينا أليل للعيون الزرقاء وأليل للون البني ، فإن عيون طفلك ستكون زرقاء أو بنية مع احتمال 50٪. من الواضح أنه بغض النظر عن العوامل الخارجية في الجيل التالي ، فإن الأليل سينتقل باحتمال 25٪ ، وهكذا. ما هي العوامل الخارجية التي نتحدث عنها؟ الأكثر وضوحا هو الانتقاء الطبيعي. إذا أعطى أليل معين لمالكه ميزة معينة ،ثم الأسماء التي يُرجح أن تنتقل إلى مزيد من السكان. Gene Drive هي آلية تجعل الجينات "أنانية" ، مما يزيد من احتمالية توريثها بنسبة تزيد عن 50٪ ، بغض النظر عن تأثير الانتقاء.
هذه الفكرة مهمة للغاية إذا أردنا استخدام كريسبر لإحداث تأثير كبير على مجموعات سكانية بأكملها. على سبيل المثال ، لتغيير البعوض بحيث لا ينشر الملاريا بعد الآن ، سنحتاج إلى عدم تطبيق كريسبر على ملايين البعوض ونرى كيف ضعفت تغييراتنا على مر الأجيال (بافتراض أن هذه التغييرات لا تعطي الأنواع أي فوائد) ، ولكن استخدم Gene Drive ، لأن هذه التكنولوجيا أكثر كفاءة في نشر الجينات بين السكان. هذا هو المكان الذي تظهر فيه شخصية جديدة في قصتنا ، Kevin Esvelt من MIT. كانت فكرة Esvelt هي استخدام Gene Drive مع دقة CRISPR الاستثنائية. وهكذا ، تمكن من إنشاء أقوى تقنية Gene Drive في التاريخ.
لفهم ما فعله ، دعنا نتطرق إلى عالم البرمجيات. في عام 1984 ، كتب كين طومسون ، مخترع نظام التشغيل Unix وأحد أعظم المبرمجين في كل العصور ، عن الاختراق المفضل لديه [3]. لقد كتبوا فيروسًا متكررًا رائعًا يمكن أن يصيب أي بنية تحتية لـ Unix-OC. عملت مثل هذا:
- قام Thompson أولاً بتعديل الكود المصدري لبرنامج ترخيص Unix القياسي (المكتوب بلغة C). كان هذا ضروريًا لإنشاء باب خلفي سري يسمح لك بأن تصبح أي مستخدم على النظام.
إذا كانت (كلمة المرور == "كلمة المرور" أو كلمة المرور == "كلمة المرور الخاصة Ken")
خولت للمستخدمين
إذا (كلمة المرور == "كلمة مرور المستخدم" أو كلمة المرور == "كلمة مرور ken الخاصة") ،
مستخدم تسجيل الدخول.
أعطى هذا الاختراق البسيط Thompson حق الوصول الكامل إلى أي نظام Unix يحتوي على نسخته من برنامج تسجيل الدخول المضمنة فيه. لكن كان واضحًا لكل من رأى الكود المصدري لهذا البرنامج.
- ثم (وهذه لحظة ماكرة حقًا) قام Thompson بتعديل الكود المصدري لمترجم C بحيث يمكنه التعرف على تجميع الكود لتسجيل الدخول وحقن الكود الفيروسي في الملف الناتج ، بغض النظر عن كود المصدر الذي تم إدخاله. [4]
وبالتالي ، تم تغيير الكود الذي كان من المفترض أن يعيد بناء نواة نظام Unix بالكامل لإنشاء نسخة مخترقة من نظام التشغيل. وهذا تناظرية جيدة لكيفية تمكن Kevin Esvelt من كسر الحمض النووي.
أدرك إيسفلت أن الحمض النووي هو المترجم عن الحياة نفسها. تم إنشاء كل شيء في الحياة ، بما في ذلك سلاسل CRISPR ، بواسطة هذا المترجم. لذلك ، مثل Thompson ، أدرك Esvelt أنه يمكنك تعديل المترجم نفسه لتغيير ما يقوم بتجميعه (بغض النظر عن التعليمات المستخدمة في البرنامج الأصلي). ضع في اعتبارك وصفًا مبسطًا لاختراق Esvelt:
- قم بإنشاء سلسلة كريسبر التي سيتم تطبيقها على الحمض النووي للجنين لإجراء التغييرات المطلوبة. على سبيل المثال ، دعنا نستبدل جين العيون البنية بجين اللون الأزرق.
- CRISPR, , , . , , .
- , , CRISPR, , , . , ( CRISPR) , .
- . , !
هذا هو جوهر محرك الجينات. مهما كانت التغييرات التي تجريها ، فسيتم إعادة إنتاجها في جميع الأحفاد بنسبة 100٪ [5]. سيؤدي هذا إلى حقيقة أن السمات الجديدة سوف تمر عبر جينوم النوع بأكمله بمعدل استثنائي.
بينما نحاول السيطرة على الكائنات الحية المختلفة (من البعوض إلى البكتيريا) ، سيكون هناك العديد من الاستخدامات والتطبيقات لتقنية Gene Drive. ومع ذلك ، دعونا نتخيل تطبيقه على جنسنا البشري. قد يجادل البعض بأنه من غير الأخلاقي تعديل الأجنة البشرية بهذه الطريقة. سيعلن السياسيون والزعماء الدينيون وعلماء الأخلاق أن استخدام كريسبر (خاصة لتغيير الإنسانية) غير قانوني. من ناحية أخرى ، دعنا نفكر في الفوائد. يمكن القضاء تمامًا على الأمراض الوراثية قبل ولادة الطفل. علاوة على ذلك ، نحن نحصل على فهم أفضل وبنية أفضل لبنية الجينوم وبنيته - فقط تخيل كل الفوائد التي يمكننا أن نقدمها لأطفالنا (وبمساعدة Gene Drive - وأطفال أطفالنا). فكر في الفوائد التي تعود على المجتمع ،ربما يمكننا رفع معدل الذكاء لجميع الأطفال بمقدار 10 (أو 20 ، أو 30) نقطة.
ما الذي يمكن أن يمنع الناس ويمنعهم من تغيير خصائص السكان؟ بالعودة إلى المثال أعلاه ، ماذا يحدث عندما (وإذا) يكون لدى العلماء فهم كامل للأساس الجيني للذكاء المتقدم؟ ما الذي سيمنع الحكومات من حظر التغيير في شعوبها؟ وماذا ستختار الحكومات المتنافسة أن تفعل؟
لقد بدأنا بالفعل في YCombinator الاستثمار في شركات CRISPR الناشئة ، وأعتقد أننا سنطور هذا الاتجاه. من المهم أن نفهم أنه بمجرد وصول "المبرمجين" الجيني إلى رمز الحياة ، لن تكون هناك حدود. مجموعة متنوعة من التطبيقات (الحالية والمحتملة) ملفت للنظر في الوقت الحالي. استخدم العلماء تقنية كريسبر لتعديل جينوم الماعز بحيث ينتجون حرير العنكبوت (مادة غير عادية جدًا يصعب إنتاجها بكميات كبيرة) في حليبهم! كما تم اقتراح أن تقنية كريسبر يمكنها علاج الهيموفيليا وحتى استبدال المضادات الحيوية. استخدم العلماء الصينيون تقنية كريسبر لتعديل جنين بشري (غير قابل للحياة) ، وقد أثارت هذه الحالة الكثير من الجدل. البشر الذين يستخدمون تقنية كريسبر ليسوا بعيدين كما يبدو.
تتحسن تقنيات وتقنيات تطبيق كريسبر بشكل أفضل. تصبح أكثر دقة ويمكن التنبؤ بها وأرخص. نحن نتعلم المزيد والمزيد عن الشفرة الجينية (يرجع ذلك جزئيًا إلى حقيقة أنه مع تقنية كريسبر يمكننا رؤية ما يحدث عندما نخرج جينًا واحدًا ونضع آخر في مكانه). لا يمكن إيقاف التكنولوجيا ، وهناك نتيجة حتمية واحدة: في المستقبل غير البعيد ، سنكون قادرين على برمجة أي مخلوق تقريبًا كما نتمنى. بما في ذلك الناس. إن ما إذا كنا سنقاوم الرغبة في مراجعة تعريفات الوجود البشري هو سؤال مفتوح. أعتقد أن الخطوة الحاسمة من جانب فرد أو مجتمع ما هي إلا مسألة وقت.
بفضل Sam Altman و Craig Cannon و Karen Lien و John Ralston الذين قرأوا وعلقوا على النسخ المبكرة من هذا النص.
الروابط
RadioLab - كريسبر
اختراق DNA محرر الولادة من البكتيريا - كوانتا مجلة
إعادة كتابة قانون الحياة - مجلة نيويوركر، 2 يناير 2017 - مايكل سبيكتور
التكنولوجيا الناشئة: فيما يتعلق محركات الجينات الموجهة RNA من أجل تغيير الأنواع البرية - كيفن M Esvelt، أندريا L Smidler و Flaminia Catteruccia و George M Church
كريسبر
ويكي Gene Drive Wiki
ملاحظات
- إذا كنت تفضل الاستماع بدلاً من القراءة ، فإن RadioLab لديه بودكاست كريسبر ممتاز متاح هنا.
- تعد جامعة كاليفورنيا في بيركلي ومعهد BROAD في ماساتشوستس خصمين رئيسيين في نزاع حقوق CRISPR. يمكن رؤية الجدول الزمني لعمل BROAD هنا.
- . « , » .
- , , C, .
- . , , . , Gene Drive ( ).
تابع أخبار YC Startup Library باللغة الروسية على قناة Telegram أو على Facebook .