„Virginijaus Šikšnio darbai paremti noru ir troškimu pažinti gamtą, suprasti mechanizmus, kurie valdo gyvybei svarbius procesus. Dažnai viešojoje erdvėje girdime pasamprotavimų, kad gal Lietuva yra per maža investuoti pinigus ir žmogiškuosius resursus tam, kad pažintume gamtą, vykdytume fundamentaliuosius tyrimus. Man atrodo, toks mitas kenksmingas: fundamentalus gamtos pažinimas atveria neregėtas technologines galimybes. Manyčiau, Virginijaus Šikšnio ir jo komandos darbai paneigia šį mitą“, – taip išskirtinį Vilniaus universiteto (VU) profesorių Virginijų Šikšnį ir jo darbus pristatė VU Gyvybės mokslų centro (GMC) direktorius dr. Gintaras Valinčius. Apie juos gausiai VU Mažojoje auloje susirinkusi publika galėjo tiesiogiai išgirsti iš paties pasaulinio lygio mokslininko.

Proveržio moksle prielaidos

Biochemikas atkreipė dėmesį, kad didžioji plačiosios visuomenės dalis nelabai žino, ką mokslininkai veikia. Tačiau kartais įvyksta maži stebuklai, ir internetinė erdvė bei žiniasklaida ima mirgėti keistais terminais, pavyzdžiui, CRISPR-Cas9, genomo redagavimas. Ažiotažas dėl mokslinių tyrimų kyla gana retai, tad prof. V. Šikšnys kelia klausimą, kaip apskritai atsiranda proveržis moksle ir proveržio technologijos.

Tam VU GMC profesorius pateikė BASF gamykloje stovinčio į romėnišką koloną panašaus cheminio reaktoriaus, kuris dviem mokslininkams 1918 m. ir 1931 m. atnešė Nobelio chemijos premijas, pavyzdį.

„XX a. pradžioje Vokietija susidūrė su problema: prieiga prie salietros trąšų, kurias ši šalis įsiveždavo iš Čilės, tapo ribota. Atsirado didžiulis inovacijos poreikis, reikėjo sukurti naujas technologijas, kurios leistų azotines trąšas išgauti nauju būdu. Fritzas Haberis, garsus vokiečių chemikas, surado sąlygas, kaip sujungti azotą su vandeniliu ir gauti amoniaką. Nors tai atrodo paprasta cheminė reakcija, bet mokslininkams reikėjo įdėti daug pastangų, kad surastų šios reakcijos sąlygas ir pademonstruotų principinę tokios reakcijos galimybę, kuri sukūrė prielaidas technologijos vystymui. Šią technologiją išvystė kitas garsus chemikas Carlas Boschas, kuris, išbandęs 3000 įvairių skirtingų medžiagų, atrado tinkamą katalizatorių. Jis pagreitino reakciją ir padidino išeigą. Ši technologija toliau buvo panaudota pramonėje gaminti sintetinėms azoto trąšoms“, – grandinę tarp mokslo, technologinės plėtros ir inovacijos vaizdžiai iliustravo prof. V. Šikšnys.

„Nulaužtas“ genomo kodas

CRISPR-Cas9 genomo redagavimo technologijos atsiradimas yra šiuolaikinis mokslo, technologinės plėtros ir inovacijos grandinės pavyzdys. Kaip teigia biochemikas, visus gyvuosius organizmus valdo kodas, užrašytas DNR molekulėje raidėmis A, C, G, T. Jame mokslininkai atrado raidžių kombinacijas, pavadintas genais. Šie  nulemia tam tikrus organizmų požymius. „Pakeitę DNR kodą galime pakeisti gyvųjų organizmų savybes, bet visų pirma jį reikėjo perskaityti. Tai tapo didžiuliu technologiniu iššūkiu, nes, pavyzdžiui, žmogaus DNR sudaro trys milijardai raidžių. Fredui Sangeriui pavyko atrasti būdą, kaip perskaityti DNR molekulės seką. Už tai jis buvo apdovanotas Nobelio premija. 2001 m. paskelbta, kad žmogaus genomo seka iššifruota, žmogaus genomo kodas „nulaužtas“. To proceso kaina –  šimtas milijonų dolerių. Prognozuojama, kad 2020 m. perskaityti mūsų genomą kainuos mažiau nei 1000 dolerių“, – palygino VU GMC mokslininkas.

Genetiniame kode gali įvykti pasikeitimų, kuriuos vadiname mutacija. Tai reiškia, kad viena kodo raidė pasikeičia į kitą. Toks vienos raidės pasikeitimas trijų milijardų raidžių tekste gali turėti drastiškų padarinių ir tapti ligos priežastimi. Kaip DNR molekulėje, kurios plika akimi negalime matyti, surasti klaidą ir ją ištaisyti? Tam, anot prof. V. Šikšnio, reikalingi genomo redagavimo įrankiai.

Mokslininkas su kolegomis ilgai tyrinėjo bakterijų apsaugos nuo virusų barjerą, pavadintą restrikcijos-modifikacijos sistema. Ji veikia kaip primityvi bakterijų imuniteto sistema. Restrikcijos fermentai atpažįsta trumpas nukleotidų kombinacijas ir perkerpa jas tam tikroje vietoje. VU GMC tyrėjo vadovaujamas skyrius bandė suprasti, kaip restrikcijos fermentai atskiria savo taikinius. Tam iš maždaug 4000 restrikcijos fermentų buvo pasirinkta tam tikra restrikcijos endonukleazių šeima CCGG, kuri atpažįsta panašias nukleotidų sekas.

„DNR redagavimo technologijos priklauso nuo molekulinių įrankių, kurie perkerpa DNR. Tam, kad tie įrankiai galėtų būti panaudojami genomui redaguoti, jie turi atpažinti gana ilgus DNR taikinius ir juos kirpti konkrečioje vietoje. Šis perkirpimas signalizuoja, kad nutrūko DNR grandinė, kurioje užkoduota informacija apie visą ląstelės gyvenimą. Tada joje įsijungia pažaidos taisymo mechanizmai, ląstelė stengiasi panaikinti trūkį, ir tuos mechanizmus galime panaudoti genomui redaguoti“, – aiškino prof. V. Šikšnys.

Įrodytas CRISPR sistemų transportabilumas

2007 m. žurnale „Science“ pasirodė straipsnis, kuriame buvo aprašyta nauja CRISPR antivirusinės apsaugos sistema. Publikacijos autoriai teigė, kad ši sistema bakterijoms suteikia apsaugą prieš virusus, bet niekas nežinojo, kaip ji veikia. Tai pavyko išsiaiškinti prof. V. Šikšnio komandai.

CRISPR – tai bakterijos DNR regionas, kurį sudaro trumpos pasikartojančios nukleotidų sekos, į kurias įterpti skirtingų DNR fragmentai. Pasirodo, jie panašūs į viruso DNR gabalėlius. Tai reiškia, kad bakterijos genome atsiranda priešo genetinis kodas: „Virusui užpuolus DNR, bakterijos, panaudodamos Cas baltymus, sugeba iš to viruso ištraukti mažus DNR gabalėlius ir sudėti juos į CRISPR regioną. Tie viruso DNR gabalėliai naudojami kaip šablonas pagaminti mažas CRISPR RNR molekules, kurios susijungia su Cas baltymais į tam tikrą kompleksą. Kai virusas dar kartą užpuola bakteriją, šis kompleksas virusą sunaikina. Tokia sistema veikia kaip bakterijų įgytas imunitetas. Nusprendėme patyrinėti molekulinį tų sistemų veikimo mechanizmą. Pradėjome tyrinėti sistemas, esančias sūrio ir jogurto raugo bakterijose S. thermophilus“, – dėstė prof. V. Šikšnys.

Jo laboratorijos tyrėjams pavyko perkelti CRISPR-Cas sistemą į E. coli bakteriją, taip pirmą kartą istorijoje įrodant CRISPR sistemų transportabilumą. Tai galima pavadinti tikru proveržiu. Nors vėliau CRISPR sistema buvo perkelta į eukariotų ląsteles, tačiau tai padaryta remiantis lietuvių patirtimi ir įdirbiu.

Platus molekulinių „žirklių“ pritaikymas

Dr. Giedrius Gasiūnas, tuomet dar prof. V. Šikšnio doktorantas, iš E. coli ląstelių išskyrė Cas9 baltymą, o tolesni eksperimentai parodė, kad jis veikia kaip molekulių „žirklės“. Cas9 tapo įrankiu, kurį mokslininkai pradėjo naudoti genomui redaguoti.

Prof. V. Šikšnys paaiškino, kad šias „žirkles“ galima nukreipti į bet kurią RNR molekulės vietą: jos perkirps DNR sukeldamos dvigrandį trūkį, kurį ląstelės stengsis ištaisyti. Valdant šį procesą galima pakeisti genomą: sukelti mutaciją, išmesti genomų dalis, įdėti naujas. Vadinasi, galima keisti genetinę informaciją, esančią DNR molekulėje. Cas9 baltymas veikia kaip universalios žirklės, kurios gali būti naudojamos karpyti DNR bakterijose, augaluose, gyvūnuose ir net žmonėse.

Prof. V. Šikšnys pateikė porą molekulinių „žirklių“ pritaikymo pavyzdžių. Vienas jų – pjautuvinės anemijos ligai. Tai genetinė liga, atsirandanti DNR molekulėje A raidei pasikeitus į T, dėl to pasikeičia ir raudonųjų kraujo kūnelių forma – jie tampa panašūs į pjautuvus ir sutrikdo kraujotaką. Tam, kad ištaisytume šią klaidą ir pašalintume ligos priežastis, reikėtų iš ligonio išskirti raudonuosius kraujo kūnelius gaminančias kamienines ląsteles, jų DNR ištaisyti ligą sukeliančią klaidą ir tokias „suredaguotas“ kamienines ląsteles persodinti atgal, kad pradėtų gaminti gerus raudonuosius kraujo kūnelius. Ši schema jau patvirtinta su pelėmis.

Genomo redagavimo įrankis praverčia ir žemės ūkyje kuriant produktyvesnius augalus. Tarkime, būtų galima išgauti daugiau kukurūzų biomasės sausros sąlygomis, taip pat paskatinti šiuos augalus gaminti daugiau amilopektino.

Tačiau požiūris į genetiškai modifikuotus organizmus (GMO), prof. V. Šikšnio teigimu, JAV ir Europoje skiriasi: „Amerikoje naudojant genomų redagavimą gautos veislės nelaikomos GMO. Europoje yra priešingai. Mokslinių argumentų, kad genomų redagavimu sukurtos veislės yra GMO, nėra, bet Europa laikosi keistos reguliacinės taisyklės. Ji sako, kad GMO laikomi visi augalai, sukurti panaudojant genų inžinerijos metodus, nors tokių augalų DNR negalima atskirti nuo įprastiniais selekcijos būdais gautų augalų DNR.“