Prof. Dr. Vasile Astărăstoae: Editarea genomului – între panaceu, eugenie și transumanism (II)

Pentru cinefili, seria „Jurassic Park” face parte din genul Science fiction, adică o ficțiune speculativă, bazată pe concepte imaginative și futuriste, cum ar fi știința și tehnologia avansată. Editarea genomului face însă ca aceste concepte să devină reale. E adevărat că, deocamdată, nu vor fi reînviați dinozaurii.

Câteva grupuri de cercetare încearcă să resusciteze animale dispărute prin secvențierea ADN-ului din mostre conservate, apoi, editând genetic genomul unei rude apropiate vii cu inserție de gene, pentru a-l face similar cu cel al speciilor dispărute. Printre acestea se numără Colossal Biosciences, o companie care a investit în 2017 peste 60 milioane de dolari în dezvoltarea instrumentelor și tehnologiilor genetice inovatoare, inclusiv software, wetware și uterele artificiale, pentru a promova conservarea și restaurarea speciilor (dorește să creeze un mamut lânos) și laboratorul TIGRR de la Universitatea din Melbourne, care își propune să readucă la viață tigrul tasmanian. Și nu sunt singuri.

În 2017, laboratorul lui George Church de la Institutul Wyss al Universității Harvard a raportat primele succese în editarea celulelor vii de elefant astfel încât acestea să conțină secvențe de gene de la ruda recent dispărută a elefantului, mamutul lânos. Folosind CRISPR -Cas9, echipa lui Church a înlocuit 14 loci din genomul elefantului cu versiunea mamut a acelor secvențe (Beth Shapiro, Mammoth 2.0: will genome engineering resurrect extinct species? Genome Biology, 2015,volume 16, 228). Un studiu recent arată că 87 de gene au fost afectate de ștergeri sau inserții scurte în cursul evoluției mamutului (Tom van der Valk et al, Evolutionary consequences of genomic deletions and insertions in the woolly mammoth genome. iScience, 2022; 25 -8), iar repararea acestora ar recrea mamutul.

Deși nu au creat încă un mamut, cercetările au estompat linia deja neclară care separă știința de science fiction. Promisiunea editării genomului se extinde însă cu mult dincolo de posibilitatea de a resuscita animale dispărute.

Ea poate avea potențialul de a crește randamentul culturilor, de a crea surse alternative de combustibil, de a ne proteja de flageluri și chiar de a vindeca cancerul, întărind speranțele, dar și temerile că editarea genomului ar fi un panaceu pentru toate problemele lumii.

Înțelegerea istoriei editării genomului este importantă pentru a avea o idee clară asupra stării actuale a domeniului. Unele evenimente importante includ descoperirea dublei helix, ADN-ul recombinant (rADN), terapiile pentru cancer uman, invenția CRISPR și multe altele. 

Ingineria genetică apare pe neașteptate în 1968, când Hamilton Smith, biolog molecular la Universitatea Johns Hopkins, a descoperit prima enzimă de restricție de tip II (HindII) și a determinat secvența locului său de clivaj. În 1978, el a primit (împreuna cu D. Nathans și W. Arber) Premiului Nobel pentru Medicină pentru această descoperire.

În 1971, Paul Berg a reușit să creeze ADN recombinant din mai mult de o specie. A primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1980 (împreuna cu Walter Gilbert și Frederick Sanger) pentru „studiile sale fundamentale asupra biochimiei acizilor nucleici, cu o atenție specială la ADN-ul recombinant”.

În 1971, Daniel Nathans a demonstrat utilizarea enzimelor de restricție în cartografierea secvențelor de ADN.

În 1972, Stanley Cohen și Herbert Boyer au fost primii oameni de știință care au transplantat gene de la un organism viu la altul, o descoperire fundamentală pentru inginerie genetică.

Anul 1981 marcheaza apariția primului animal transgenic. Un animal transgenic este orice animal, care are o genă de la un organism străin introdusă în mod deliberat în genomul său. O echipă de cercetare, condusă de Thomas Wagner la Universitatea Ohio, a transferat gena unui iepure în genomul șoarecelui, folosind o metodă standard acum în genetică – „microinjecție de ADN”. S-a deschis calea pentru experimentele cu animale transgenice în anii următori.

Primul medicament uman modificat genetic a fost produs în 1982 când Food and Drug Administration (FDA) a aprobat Humulin, insulina recombinantă a lui Eli Lily, făcută de bacteriile modificate special de Dennis Kleid de la compania Genentech prin tehnologia ADN-ului recombinant. În urma succesului Humulin, tehnologia ADN-ului recombinant a fost rapid adoptată pentru a înlocui metodele mai vechi de producere – de la hormonul de creștere uman până la vaccinuri. În 1981, chilianul, Pablo DT Valenzuela a reușit să creeze primul vaccin recombinant din lume pentru hepatita B, folosind celule de drojdie, în primul rând Saccharomyces cerevisiae (aprobat de FDA în 1986). Acest vaccin a devenit imediat standardul pieței.

În 1988, a fost prima dată când o cultură de organisme modificate genetic a apărut efectiv pe câmpurile din Statele Unite (oficial), iar acea cultură a fost „porumbul Bt”, numit astfel deoarece conține gene de la bacteria Bacillus thuringiensis (Bt).

Din 1990 până în 2003, proiectul Genomul uman a reușit să cartografieze genomul uman cu peste 20 de mii de gene identificate și locii lor genomici documentați. În 2003, a început proiectul ENCODE (Enciclopedia Elementelor ADN), cu scopul de a crea o listă completă a elementelor genomului uman – elemente care acționează atât la nivel de proteină, cât și la nivel de ARN, inclusiv elemente de reglare, care controlează transcripția, traducerea și replicarea.

Una dintre cele mai cunoscute realizari răspândite prin public pe care știința le-a văzut vreodată a fost clonarea primului mamifer dintr-o celulă somatică adultă, un miel finlandez Dorset pe nume Dolly, din 1996. Proiectul a fost condus de scotianul Ian Wilmut de la Institutul Roslin.

Prima terapie medicamentoasă țintită pe gene este aprobată de FDA în 2001 – medicamentul pentru tratarea leucemiei mielogene cronice Glivec (imatinib) folosit și astăzi. În 2006, FDA aprobă primul vaccin preventiv împotriva cancerului realizat prin editarea genelor – Gardasil.

Prima formă de viață sintetică din lume a fost creata de John Craig Venter și echipa sa în 2010. În acest experiment, un organism viu a fost construit în întregime, mai degrabă, decât a evoluat sau s-a născut. Aceasta marchează o etapă importantă în domeniul biologiei, deoarece demonstrează că o forma de viața poate fi creată sintetic, ceea ce are un număr mare de aplicații în lumea geneticii.

În 2012, Jennifer Doudna, Emmanuelle Charpentier și echipele lor au elucidat mecanismul biochimic al tehnologiei CRISPR

În 2015, CRISPR a fost folosit pentru a edita embrioni umani de Junjiu Huang de la Universitatea Sun Yat-Sen din Guangzhou. 

În 2018, He Jiankui, a editat o genă în embrioni umani pentru a conferi rezistență la HIV. Trei dintre embrionii modificați au fost implantați la femei în orașul chinez Shenzhen. În 2019, o instanță l-a condamnat He Jiankui la 2 ani închisoare pentru „practici medicale ilegale”. 

În ianuarie 2019, oamenii de știință din China au raportat crearea a cinci maimuțe editate genetic și clonate – primele maimuțe clonate vreodată.

Cercetarea continuă să identifice și să perfecționeze noi sisteme de editare a genomului cu o precizie și mai mare, reducând probabilitatea efectelor secundare și pentru a caracteriza alte surse de nucleaze programabile, pentru a crește repertoriul de biotehnologii disponibile (Burstein et al., New CRISPR-Cas systems from uncultivated microbes, Nature, 2017, 542:237–241).

Editarea genomului are potențialul de a îmbunătăți diverse aplicații biotehnologice pentru a promova tranziția către o bio-economie, fapt ce a condus la o competiție acerbă în mediul academic, dar mai ales în cel industrial. O analiză a bazei de date Web of Science a dus la evidențiera a 9.992 de publicații, iar Derwent Innovations Index – una dintre cele mai cuprinzătoare baze de date existente cu informații despre brevete a arătat 27.583 de familii de brevete legate de editarea genetică (Natalie Laibach and Stefanie Bröring, The Emergence of Genome Editing – Innovation Network Dynamics of Academic Publications, Patents, and Business Activities, Front. Bioeng. Biotechnol., April 14, 2022). Editarea genică a trezit deci un entuziasm deosebit prin aplicații din agricultură, biologie, medicină, bioenergie etc.

Aplicații ale editării genetice în agricultură și zootehnie

Pe măsură ce populația mondială continuă să crească, există din ce în ce mai multă îngrijorare cu privire la resursele alimentare. La sfârșitul anului 2019, peste 690 de milioane de oameni din întreaga lume sufereau de subnutriție sau de consumul insuficient de calorii (Von Grebmer et al., 2020 Global Hunger Index: One Decade to Zero Hunger, Linking Health and Sustainable Food Systems, Washington DC, 2020, 80). Cu o populație umana în continuă creștere, riscul penuriei de alimente este real. Găsirea de noi modalități de a cultiva alimente, folosind mai puțin spațiu, este crucială, deoarece tot mai multe terenuri agricole sunt vândute și transformate în spațiu industrial-comercial. Zonele urbane devin din ce în ce mai dens populate, ceea ce face mai dificilă găsirea unor modalități de a obține și susține alimente.

Printre cele mai importante aplicații ale editarii genetice sunt cele legate de creșterea randamentului plantelor, a calității, rezistență la boli și rezistență la erbicide, reproducere și domesticire accelerată, iar aplicațiile potențiale ale acestei tehnologii pot schimbă jocul (Haocheng Zhu et al., Applications of CRISPR–Cas in agriculture and plant biotechnology,Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2020,volume 21, p.661–677). Introducerea editării genomului în programele moderne de ameliorare ar trebui să faciliteze îmbunătățirea rapidă și precisă a culturilor (Yi Zhang et al., Applications and potential of genome editing in crop improvement, Genome Biology, 2018, vol. 19). S-au înregistrat progrese semnificative în domeniul ameliorării plantelor în ultimele trei decenii, fiind introduse o serie de noi tehnici moleculare. Oportunitățile în știința plantelor includ modificările simultane ale mai multor gene pentru a crește calitatea culturilor prin dezvoltarea de soiuri cu eficiență îmbunătățită a utilizării apei și azotului, rezistență mai bună la dăunători și boli și alergeni reduși (Bortesi et al., Patterns of CRISPR/Cas9 activity in plants, animals and microbes, Plant Biotechnology Journal, 2016, 14:2203–2216).

Există o bogată literatură, privind realizările și perspectivele editării genelor în agricultură. Eforturile cercetătorilor s-au îndreptat spre:

a) Adaptarea plantelor la condițiile de mediu (de exemplu, creșterea toleranței orezului la salinitate și la secetă, producerea de orez cu maturare timpurie, care este mai susceptibil de producție în latitudinile nordice, dezvoltarea unui soi de banane semi-pitic, rezistent la vânturile intense, taifunurilor și furtunilor, creșterea toleranței la secetă a porumbului etc.).

b) Editarea genelor pentru rezistența plantelor la boli. La plante, au fost identificate gene, care cresc rezistența la boli atunci când sunt eliminate. Modificarea elementelor genetice implicate în susceptibilitate a fost până acum forma principală de atenuare a bolii prin editarea genelor. Astfel, s-a realizat creșterea rezistenței orezului la o serie de boli (boala bacteriană a frunzelor, infecția cu virusul tungro), rezistență la scară largă în orez, orz și roșii, inhibarea infecțiile virale la castraveți, atenuarea mucegaiului de grâu, atenuarea mucegaiului la tomate și struguri, creșterea rezistenței tomatelor la boli alternative (pata bacteriană și virusul buclei galbene a frunzelor de tomate), asigurarea rezistenței bananelor la virusul bananei streak (BSV), rezistența grapefruitului la cancerul citricelor, vindecarea Cotton Verticillium sau „cancerul de bumbac” etc.

c) Editarea genelor pentru îmbunătățirea randamentului culturilor de orez, grâu, porumb ceros etc. (vezi Karavolias NG et al, Application of Gene Editing for Climate Change in Agriculture, Front. Sustain. Food Syst., 2021, 5, 685-801).

d) Creare de noi produse comestibile

Unul dintre primele produse permise în SUA este ciuperca editată de CRISPR-Cas9 – care a redus rumenirea din cauza activității scăzute a polifenoloxidazei (Robin Fears, Volker ter Meulen, Point of View: How should the applications of genome editing be assessed and regulated? e-Life Sciences,Apr 4, 2017). Editarea genelor a constituit un impuls pentru agritech. Agritech este o ramură a agriculturii, care îmbrățișează tehnologia pentru creșterea și îmbunătățirea producției naturale de alimente. Compania agricolă Pairwise este leadar în acest domeniu, editând morcovii pentru copii (care au avut un succes deosebit) și pepenele verde fără semințe. (https://www.pairwise.com/)

e) Editarea genelor animale pentru a crește rezistența la boli

Rezultatul cercetărilor au conferit protecție împotriva sindromului reproductiv și respirator porcin, cea mai importantă boală din punct de vedere economic care afectează porcii din Europa, America de Nord și Asia (Whitworth et al., Gene-edited pigs are protected from porcine reproductive and respiratory syndrome virus, Nature Biotechnology, 2016, 34:20–22). Cercetările ulterioare la porci au putut să demonstreze utilitatea CRISPR/Cas9 pentru rezistența la virusul pestei porcine clasice (Xie, Z. et al., Genetically modified pigs are protected from classical swine fever virus. PLOS Pathog., 2018, 14). Rezistența virală a puilor de găină la leucoza aviară – o boală care poate infecta carnea și găinile ouătoare, având ca rezultat rate de mortalitate relativ ridicate – a crescut semnificativ, folosindu-se CRISPR/Cas9 (Koslov A. et al., Precise CRISPR/Cas9 editing of the NHE1 gene renders chickens resistant to the J Subgroup of avian leukosis virus. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2020, 117, 2108–2112). Exemplele pot continua.

f) Producția, compoziția și calitatea cărnii

Exemplu cel mai cunoscut este legat de editarea genică a miostatinei. Miostatină (MSTN) este o proteină secretată în țesuturile musculare și funcția sa principală este de a regla negativ creșterea musculară. Mutația naturală a MSTN duce la o trăsătură musculară dublă, raportată mai întâi la bovine și apoi la oi, câini și oameni, făcând MSTN o țintă atractivă pentru editarea genomului pentru a crește carnea slabă la animale. În 2015, o mutație MSTN mediată de ZFN la porcii chinezi Meishan a condus la animale normale din punct de vedere al dezvoltării, care au prezentat o creștere a masei musculare cu 100% și o scădere a acumulării de grăsime în comparație cu animalele de tip sălbatic (Jianguo Zhao et al.Genome editing in large animals: current status and future prospects, National Science Review, Volume 6, Issue 3, May 2019, 402–420). La animale, editarea genelor a fost aplicată și pentru a atenua stresul abiotic impus de schimbările climatice. Acceligen, o subsidiară a Recombinetics Inc., a întreprins o inițiativă de îmbunătățire a termotoleranței bovinelor, cu sprijinul Fundației pentru Cercetare Alimentară și Agricolă (FFAR) și Semex. Folosind abordări de editare a genelor, Acceligen încearcă să reproducă genetica fenotipului SLICK (identificat la bovinele Senepol), care contribuie la termotoleranță pentru a îmbunătăți termotoleranța raselor importante de bovine.

Însă putem spune că editarea genomului va rezolva criza alimentară mondială?

Greu de răspuns. Fără îndoilă tehnologia de editare a genomului oferă modalități revoluționare de a schimba, regla, determina și imagina genomurile la plante și animalele mari, oferind potențial aplicații noi în agricultură. Vor fi acestea accesibile pentru toată lumea? În plus, preocupările de siguranță și etică ale utilizării țesuturilor, organelor și animalelor modificate genetic rămân în centrul dezbaterilor. Acest lucru este mult mai evident în aplicațiile bio-medicale unde editarea genomului a fost utilizată în diferite tipuri de cercetare biomedicală și terapii. Dar despre acestea în următoarea postare.

(va urma)