Чтобы как-то продвинуться в теории сложных взаимодействий (пост PIT00168 от 21/12/2014), надо разработать теорию сложного действия. Эта мысль появлялась много раз, хотя все основные соображения локализовались вокруг бесконечномерных и бесконечнозначных образных переменных.

Нобелевская премия по химии за 2020 год досталась француженке Эммануэль Шарпантье и американке Дженнифер Дудне. Об этом сообщили в Нобелевском комитете Королевской шведской академии наук​​​. Они занимались разработкой методов редактирования генома.

В 2012 году ученые открыли систему CRISPR/Cas9 – ее иногда называют "ножницами ДНК", с помощью которых можно "починить гены". Их можно использовать для редактирования генов животных и человека, например, при лечении диабета, лейкемии и шизофрении.

Jennifer Doudna and Emmanuelle Charpentier share the 2020 Nobel chemistry prize for their development of a game-changing gene-editing technique. (Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA). ‘Nature briefing’ Wednesday 7 October 2020

Пионеры CRISPR получают Нобелевскую премию по химии

Ученые, которые первыми разработали революционную технологию редактирования генов CRISPR, стали лауреатами Нобелевской премии по химии в этом году. Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна разделили награду за разработку инструмента, который вдохновил бесчисленное количество приложений в медицине, сельском хозяйстве и фундаментальной науке. CRISPR, сокращение от сгруппированных коротких палиндромных повторов с регулярными интервалами, представляет собой микробную «иммунную систему», которую прокариоты, то есть бактерии и археи, используют для предотвращения заражения вирусами, называемыми фагами. В знаменитой статье 2012 года в Science они адаптировали систему для работы в пробирке и показали, что ее можно запрограммировать на разрезание определенных участков изолированной ДНК.

Прогнозы о присуждении Нобелевской премии часто включали CRISPR, но многие разработчики этой технологии обсуждали, кто получит эту награду. Эта работа также вызвала ожесточенную патентную битву, которая продолжается и по сей день. Один из тех, кто сегодня мог бы разделить награду, генетик Джордж Черч, считает, что комитет сделал правильный выбор: «Я думаю, что это отличный выбор», - говорит он.

Эмоции переполняют. Юлия Рудый написала грамотный текст Как изобретали генетические ножницы, который воспроизведен ниже лишь с одной картинкой (все рисунки см. по ссылке).

Нобелевская премия по химии 2020 года присуждена двум женщинам-учёным Эммануэль Шарпантье из Института Макса Планка в Германии и Дженнифер Дудна из Университета Калифорнии в Беркли, США.

Официальная формулировка Нобелевского комитета "за развитие методики редактирования генома" (за переписывание кода жизни, как выразился ведущий церемонии Йёран Ханссон).

Если же говорить точнее, то речь идёт о методе CRISPR/Cas9, о котором мы неоднократно рассказывали читателям Вести.Ru, и который представители Нобелевского комитета называют генетическими ножницами. На сегодня эта революционная методика уже позволила побороть в ходе экспериментальных исследований онкологические заболевания, тяжёлые генетические заболевания крови, помогла создать мощное оружие против РНК-вирусов и получить устойчивых к туберкулёзу коров. И это лишь небольшая часть возможностей, которые открылись перед исследователями благодаря работам Шарпантье и Дудна.

Биохимики и клеточные биологи теперь могут легко исследовать функции различных генов и их возможную роль в прогрессировании заболеваний. Селекционеры теперь могут не тратить долгие годы на выработку растениями или животными нужных черт, а могут сразу наделить представителей флоры и фауны специфическими характеристиками, такими как способность выдерживать засуху в более тёплом климате и нашествие насекомых-вредителей. В медицине редактор генов CRISPR/Cas9 используется для разработки новых методов лечения рака и в исследованиях, направленных на лечение ранее неизлечимых наследственных заболеваний.

Изначально Эммануэль Шарпантье исследовала иммунную систему бактерий рода стрептококков. Данные патогены очень распространены и часто заражают людей. Исследовательница надеялась отыскать новую форму антибиотиков для борьбы с этими микробами.

В 2002 году, когда Эммануэль Шарпантье основала собственную исследовательскую группу в Венском университете, она сосредоточилась на одной из бактерий, наносящей большой вред человечеству: Streptococcus pyogenes.

Ежегодно этот патоген заражает миллионы людей, часто инициируя легко поддающиеся лечению инфекции, такие как тонзиллит и стрептодермию. Однако он также может вызывать опасный для жизни сепсис и разрушать мягкие ткани тела.

Но как можно обезвредить S. pyogenes? Шарпантье начала свою работу с тщательного исследования того, как работают гены этой бактерии.

Тем временем Дженнифер Дудна изучает молекулы РНК, молекулярной сестры ДНК. В 2006 году она становится главой исследовательской группы в Калифорнийском университете в Беркли, имея за плечами двадцатилетний опыт работы с РНК.

Группа Дженнифер изучает РНК-интерференцию, которая играет важную роль в защите клеток от вирусов.

Бактерии и их древняя иммунная система

Однажды Дудна узнаёт от коллеги микробиолога о новом открытии. Исследователи, изучавшие генетический материал совершенно разных бактерий, а также архей, обнаружили в ДНК повторяющиеся фрагменты. Один и тот же код появляется снова и снова, но между этими повторениями есть уникальные последовательности, которые отличаются друг от друга.

Учёные назвали находку CRISPR (сокращение от clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Интересно, что неповторяющиеся последовательности при этом были похожи на генетический код различных вирусов. Будто бактерии и археи составляли в своей ДНК архивные записи о пережитых атаках патогенов, перемежая их повторяющимся кодом.

Это навело учёных на мысль, что CRISPR – одна из частей древней иммунной системы, которая защищает бактерии и архей от вирусов.

Коллега Дудны отметила, что механизм, используемый бактериями для нейтрализации вируса, очень уж похож на то, что изучает группа Дженнифер (ту самую РНК-интерференцию).

Комплексная машинерия

Погрузившись в эту тему, Дудна выяснила, что другие исследователи также обнаружили особые гены, которые они назвали CRISPR-ассоциированными (сокращенно Cas).

Дженнифер понимает, что эти гены очень похожи на гены, которые отвечают за работу белков, специализирующихся на раскручивании и разрезании нити ДНК. Может, белки Cas имеют ту же функцию? Может, они расщепляют ДНК вирусов?

Последующие годы работы её научной группы позволили во всех подробностях изучить работу белков Cas.

Тем временем Шарпантье перебирается в университет в Швеции и занимается изучением малых РНК, обнаруженных у бактерий вида S. pyogenes.

Она обнаруживает, что в этой бактерии в больших количествах присутствуют небольшие неизвестные молекулы РНК. И по какой-то причине эти РНК по своему строению очень похожи на последовательности CRISPR в геноме бактерии. Позднее выяснится, что эти молекулы РНК играют очень важную роль.

Пока же становится ясно, что S. pyogenes для расщепления вирусной ДНК нужен белок Cas9.

Шарпантье показывает, что неизвестная молекула РНК необходима, чтобы обычная "длинная" РНК (созданная по шаблону CRISPR) стала активной.

Весной 2011 года на научной конференции в Пуэрто-Рико она знакомится с Дженнифер, после чего учёные решают вместе изучать функции Cas9 у S. pyogenes?

Они подозревают, что CRISPR необходима для идентификации вируса, а Cas9 – это своего рода ножницы, разрезающие молекулу ДНК вируса и тем самым обезвреживающие его.

Однако, когда учёные проводят эксперименты "в пробирке", ничего не происходит. Молекула ДНК патогена остаётся нетронутой.

После долгого мозгового штурма и множества неудачных экспериментов исследовательницы добавляют "в пробирку" те самые неизвестные молекулы РНК. И… система выполняет нужную работу!

Исследователи обнаруживают оружие, которое стрептококки разработали для защиты от вирусов, простое и эффективное, даже блестящее.

На этом история генетических ножниц могла бы и закончиться. Но удача сопутствует подготовленным умам.

Эпохальный эксперимент

Исследовательницы решили использовать открытые ими генетические ножницы для изменения генетического кода. Используя свои новые знания, они получили молекулу, которая позволяла "натравить" ножницы на определённый участок ДНК (так называемый РНК-гид).

Результаты эксперимента были ошеломляющими. Молекулы ДНК были расщеплены именно в нужных местах.

Схема редактирования ДНК при помощи CRISPR/Cas9. Перевод Вести.Ru.
Иллюстрация Niklas Elmehed/Nobel Media.

Вскоре после того как в 2012 году Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна опубликовали статью об открытии генетических ножниц CRISPR/Cas9, несколько исследовательских групп продемонстрировали, что этот инструмент можно использовать для изменения генома в клетках как мышей, так и людей.

Раньше изменение генов в клетке, растении или организме занимало много времени, а иногда это было попросту невозможно. Теперь же исследователи потенциально могли разрезать любую молекулу ДНК.

Этот инструмент был настолько прост в использовании, что теперь его применяют во многих фундаментальных исследованиях.

Эксперименты на животных показали, что можно доставлять генетические ножницы к нужным клеткам.

Вместе с тем разработка генетических ножниц стала причиной серьёзных этических споров. Ведь потенциально с их помощью вполне можно создавать ребёнка "по заказу" (например, с голубыми глазами, светлыми волосами или другими нужными признаками). Поэтому эта область требует отдельного регулирования.

Однако всё это не отменяет того факта, что огромная многолетняя работа Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудны позволила разработать химический инструмент, который вывел науки о жизни на совершенно новую ступень развития.

Добавим, что методика CRISPR/Cas9 пока ещё работает не идеально. Но сегодня многие учёные мира предлагают способы её усовершенствования, которые позволят увеличить её эффективность (например, повысить количество отредактированных генов). В 2017 году учёные также предложили инструмент, позволяющий лечить болезни без изменения ДНК.

См. PIT00361 P-гранулы (РНК + белок) в новом свете (30 Nov 2016) и ещё более полутора десятков постов на МОЛПИТ, сделав поиск по ключевому слову CRISPR.

Нобелевскую премию по физике в этом году присудили Роджеру Пенроузу, Рейнхарду Гензелю и Андреа Гез за раскрытие «самых темных секретов Вселенной».

Роджер Пенроуз из Великобритании получил награду за «открытие того, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности». Рейнхард Гензель и Андреа Гез из США — за «открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики».

Нобелевская премия в области физиологии и медицины за 2020 год присуждена американцам Харви Олтеру, Чарльзу Райсу и британцу Майклу Хоутону. Ученые стали лауреатами за исследование вируса гепатита C.

«Нобелевская премия этого года присуждена трем ученым, которые внесли решающий вклад в борьбе с гепатитом, передающимся через кровь, одной из самых главных глобальных проблем здравоохранения. Болезнь вызывает хронические повреждения и цирроз печени», – пояснил комитет.

Harvey Alter, Charles Rice and Michael Houghton (left to right) won the 2020 Nobel prize in medicine for their research on the hepatitis C virus. (NIH History Office, John Abbott/The Rockefeller University, Richard Siemens/University of Alberta) ‘Nature briefing’ Monday 5 October 2020.

Ученые по гепатиту С получили Нобелевскую премию по медицине

Трио ученых, которые идентифицировали и охарактеризовали гепатит С - вирус, ответственный за многие случаи гепатита и заболеваний печени, - получили Нобелевскую премию по физиологии медицины 2020 года. Награду разделили Харви Альтер, Майкл Хоутон и Чарльз Райс. «Это символ великой науки», - говорит Элли Барнс, изучающая медицину печени и иммунологию. «Мы подошли к моменту, когда мы можем вылечить большинство инфицированных».
Хоутон отказывался от выдающихся наград, потому что они не отметили его сотрудников Джорджа Куо и Куай-Лим Чу. «Все это основано на Нобелевской премии, - объяснил Хоутон в 2013 году. - В своем завещании доктор Нобель говорит, что их не может быть больше трех. Все другие крупные награды, как правило, копируют это и ограничиваются тремя. Это устарело».

«Впервые в истории вирус гепатита С теперь можно вылечить. Открытия лауреатов премии в области медицины выявили причину оставшихся случаев хронического гепатита и сделали возможными проведение анализов крови и применение новых лекарств, которые спасли миллионы жизней», – сообщил Нобелевский комитет.

Ежегодно в мире 70 млн людей заболевают гепатитом С, а тысячи умирают от этой болезни.

Специальный выпуск: Микрофизиологические аналитические платформы (MAP): прецизионные органы на чипе // Advanced healthcare materials 7 (2), (2018).

Полистаем журнал вместе с русскоязычным читателем. Итак,

Обложка По статье [Park2018] Миниатюризация человеческих органов. 3D миниатюризация человеческих органов для обнаружения лекарств (Adv. Healthcare Mater. 2/2018), где рассматривается современное состояние в области проектирования и миниатюризации трехмерных моделей органов человека и дает обзор основных инженерных технологий - органоидов, микрообработки, трехмерной биопечати, используемых для построении органов.

Оборот обложки По статье [Blundell2018] Транспорт лекарств через «плаценту-на-чипе» - микротехническая in vitro модель транспорт-опосредованного оттока лекарств в плацентарном барьере человека (Adv. Healthcare Mater. 2/2018), где представлена микроинженерная модель человеческого плацентарного барьера для исследования переноса препарата от матери к плоду во время беременности. Система «плаценты-на-чипе» восстанавливает опосредованный переносчиками транспорт тестируемого соединения, опосредованный конкретным переносчиком, демонстрируя принципиальное доказательство его использования в качестве платформы для скрининга для прогнозирования транспорта лекарств во время беременности.

Задняя обложка По статье [Chung2018]

{Lee2018} Luke P. Lee. Microphysiological Analytic Platforms (MAPs): Precision Organs on Chip // Advanced healthcare materials 7 (2), 1701488 (2018). doi 10.1002/adhm.201701488

{Park2018} Joseph Park, Isaac Wetzel, Didier Dréau, and Hansang Cho. Human Organ Miniaturization: 3D Miniaturization of Human Organs for Drug Discovery // Advanced Healthcare Materials 7 (2), 1870007 (2018). doi 10.1002/adhm.201700551

Графическая аннотация «Спроектированные человеческие органы» являются перспективными для прогнозирования эффективности и точности реакций человека на лекарственные средства с уменьшенной стоимостью и улучшенным успехом в клинических испытаниях. В этом обзоре представлен обзор трех основных технологий конструирования органов, а также недавние успешные примеры использования одно- и много-органоидных систем для разработки лекарств. Кроме того, обсуждаются текущие технологические проблемы и будущие перспективы.