Az anyjuktól és apjuktól kapott legfontosabb ajándék a DNS hárommilliárd betűből álló két készlete, amelyet genomnak hívunk. De mint minden, ami hárommilliárd részből áll, ez az ajándék is sérülékeny. Napfény, dohányzás, egészségtelen táplálkozás, sőt még spontán génhibák is genomunk módosulását okozzák. A leggyakoribb génmódosulás az egyszerű betű vagy bázis cseréje, pl. a C betűé más betűvel, pl. a T, G vagy A betűvel. Nap mint nap testünk sejtjei együttesen milliárdnyi egybetűs cserét halmoznak föl: ezek az ún. pontmutációk. E pontmutációk zöme veszélytelen. De hébe-hóba egy-egy pontmutáció a sejt fontos képességét rombolja szét, vagy a sejt veszélyes működését váltja ki. Ha a mutációt szüleinktől örököltük, vagy igen korai fejlődésünk idején alakult ki, annak eredménye, hogy sok vagy minden sejtünk tartalmazza e veszélyes mutációt. Akkor önök lesznek a százmilliónyi génbeteg ember egyike. Ilyen pl. a sarlósejtes anémia vagy a progéria vagy az izomsorvadás vagy a Tay–Sachs-kór. A pontmutáció okozta súlyos genetikai betegségek különösen nyomasztók, mert gyakran tudjuk, hogy a kórt épp melyik betű okozza, és elvileg melyikkel gyógyítható. Milliók szenvednek sarlósejtes anémiában, mert egyetlen A betű T-be mutálódott hemoglobingénjük mindkét példányában. A progériás gyerekek a genom egy pontjában lévő T-nukleotiddal születnek, ahol pedig C-nek kellene lennie, és a következmények oly szörnyűk, hogy e csodás, éles eszű gyerekek igen gyorsan öregszenek, és kb. 14 éves korukra meghalnak. A gyógyítás története során nem alakult ki hatékony módszerünk a pontmutáció élő szervezetekben való kijavítására, hogy a betegséget okozó T-t C-vé változtassuk. Tán csak mostanáig. Mert laboromnak nemrég sikerült az ún. bázisszerkesztési módszert kidolgoznia. A bázisszerkesztés története voltaképp hárommilliárd éve kezdődött. Baktériumokra fertőzésforrásokként gondolunk, ám a baktériumok maguk is fertőzésre hajlamosak. Konkrétan, vírusokkal. Kb. hárommilliárd éve vírusfertőzés elleni védelmi mechanizmust fejlesztettek ki. E védelmi mechanizmus inkább CRISPR néven ismeretes. A CRISPR robbanófeje a bíbor fehérje, amely molekuláris DNS-vágó ollóként működik, mert a kettős csavarvonalat kettévágja. Ha a CRISPR nem képes különbséget tenni a baktérium és a vírus DNS-e között, a védelmi rendszer nemigen hasznos. Ám a CRISPR legcsodásabb tulajdonsága, hogy az olló úgy programozható, hogy csak egyedi DNS-szekvenciát keressen, vágjon, és csak hozzá kötődjön. Amikor először találkozik a baktérium a vírussal, képes a vírus egy DNS-darabkáját elrakni, hogy programként használja a CRISPR-olló irányítására a vírus DNS-szekvenciájának kivágására a következő fertőzéskor. Ha belevág a vírus DNS-ébe, azzal megzavarja a vírusgén működését, és ezzel összeomlasztja a vírus életciklusát. Emmanuelle Charpentier, George Church, Jennifer Doudna és Feng Zhang neves kutatók hat éve mutatták ki a CRISPR-ollók programozási módszerét a kellő DNS-szekvencia kivágására, beleértve a humán genomot, és nem csak a baktérium választotta vírusok DNS-szekvenciáit. De az eredmények hasonlók. Genomunk DNS-szekvenciájának kivágása is általában összeomlasztja a megvágott gén működését, mert DNS-betűk véletlenszerű elegyének beillesztését és törlését okozza a megvágott helyen. A gének tönkretétele egyes alkalmazásoknál igen hasznos lehet. Ám a genetikai kórokat okozó legtöbb pontmutációnál a már mutálódott gén puszta kivágása a páciensnek nem jelent megoldást, mert a mutálódott gén működését még helyre is kell állítani, nem pedig tovább rongálni. Ezért a sarlósejtes anémiát okozó, már mutálódott hemoglobingén megvágásától nem áll helyre a páciens vörösvérsejt-képző képessége. Noha új DNS-szekvenciákat néha be tudunk juttatni a sejtekbe, a megvágott helyet körülvevő DNS-szekvenciák helyére, de sajnos, a folyamat a legtöbb sejtfajtánál nem működik, és a roncsolt gén hatása továbbra is érvényesül. Sok tudóshoz hasonlóan én is oly jövőről álmodoztam, amelyben kezelhetjük vagy tán meg is gyógyíthatjuk a humán genetikai kórokat. De láttam, hogy hiányzik a pontmutáció kijavítási módszere; e mutáció okozza a humán genetikai kórok zömét. Ez a fő akadály. Vegyész lévén diákjaimmal nekiláttunk közvetlenül egy-egy DNS-bázisra ható vegyi módszerek kifejlesztésének, hogy a kórokozó mutáció inkább ki legyen javítva, semmint elroncsolva. Igyekezetünk eredménye: az ún. bázisszerkesztő molekuláris gép. Ezek a CRISPR-olló programozható keresőmechanizmusát használják, de a DNS vágása helyett az egyik bázist közvetlenül másikká változtatják át a gén többi részének károsítása nélkül. Ha a természetes CRISPR-fehérjéket molekuláris ollóknak fogjuk föl, akkor a bázisszerkesztők ceruzának tekinthetők, amelyek egy-egy DNS-betűt közvetlenül másikká írnak át. Ehhez a DNS-bázis atomjait más bázissá rendezik át. Bázisszerkesztők a természetben nem léteznek. Itt látható az első mesterséges bázisszerkesztőnk, amelyet három fehérjéből állítottunk elő, amelyek még csak nem is egy szervezetből származnak. A CRISPR-olló DNS-vágási képességének kikapcsolásával kezdtük, de meghagytuk a képességét, hogy programozottan keressen és kapcsoljon össze célba vett DNS-szekvenciákat. A kékkel jelölt kikapcsolt CRISPR-ollóhoz a pirossal jelölt másik fehérjét kapcsoltuk, amely a C DNS-bázison vegyi reakciót hajt végre, ezzel azt T-viselkedésű bázissá alakítja. Harmadszor, még hozzá kellett adnunk az első két fehérjéhez a lilával jelölt harmadikat, amely a szerkesztett bázist megóvja attól, hogy a sejt eltávolítsa. Az eredmény a háromrészes fehérje, amely elsőként teszi lehetővé a genom meghatározott helyén lévő C átalakítását T-vé. De elvégzendő munkánknak ez csak a fele. Mert ahhoz, hogy a sejtekben rögzüljenek, a DNS kettős csigavonalának két szálát bázispároknak kell összekötniük. Mivel a C-hez csak a G kapcsolódhat, és a T-hez pedig csak az A, ha a C-t csupán T-vé módosítjuk az egyik DNS-szálban, az zavart, összeférhetetlenséget okoz a két DNS-szál között, amelyet a sejtnek kéne megoldania, eldöntve: melyik szálat helyettesítse. Rájöttünk, hogy még tovább is javíthatjuk e háromrészes fehérjét, ha bevágással cserélendőnek jelöljük meg a szerkesztetlen szálat. E kis vágás becsapja a sejtet: engedi a szerkesztetlen G A-ra cserélését a megvágott szál átalakítása révén. Ezzel befejeződik a korábbi C–G pár stabil T–A párrá való átalakítása. Több évi szorgalmas munka után, amelyet Alexis Komor volt PhD-kutató vezetett, sikerült eme első fajtájú bázisszerkesztő kifejlesztése, amely C-t T-vé és G-t A-vá alakít át tetszésünk szerinti helyen. 35 000 kórokozó pontmutáció közül kétféle mutációt képes eme első bázisszerkesztő visszaalakítani, ez összesen 5 000 kórokozó mutáció, azaz kb. 14%-uk. A kórokozó pontmutációk zömének kijavításához a bázisszerkesztők másik fajtáját kell kifejlesztenünk, amely az A-t G-vé és T-t C-vé képes alakítani. Nicole Gaudelli volt PhD-kutató vezetésével hozzáfogtunk e másik fajtájú bázisszerkesztő kifejlesztéséhez, amely elvileg a kórokozó pontmutációk majdnem felét képes kijavítani, beleértve a gyors öregedést okozó kór, a progéria mutációját is. Rájöttünk, hogy utánozhatjuk a CRISPR-olló célzó mechanizmusát, hogy az új bázisszerkesztőt a genom kellő helyére juttassuk be. De hamarosan meglepő nehézséggel találtuk szemben magunkat, nevezetesen, hogy nincs ismert fehérje, amely az A-t G-vé vagy a T-t C-vé változtatná a DNS-ben. Ilyen komoly buktató láttán a legtöbb diák nyilván más projekt, sőt más konzulens után nézne. (Nevetés) De Nicole a terv folytatása mellett döntött, ami abban az időben igencsak nagyralátónak tűnt. A szükséges vegyi folyamatot végrehajtó természetes fehérje hiányát tudomásul véve úgy döntöttünk, hogy laborunkban állítjuk elő a fehérjénket az A módosítására G-ként viselkedő bázissá. A vegyi folyamatot RNS-en végrehajtó fehérjével kezdtük. Az "erősebb túlélése darwini szelekciós rendszert" választottuk, amely több tucat millió fehérjeváltozatot eredményezett, és csak azokat a ritka változatokat engedte tovább, amelyekben túlélésükhöz kellő vegyi folyamat végbement. Hozzájutottunk az itt látható fehérjéhez, amely elsőként képes a DNS-ben az A-t a G-re hasonlító bázissá változtatni. Amikor ezt a fehérjét hozzákapcsoltuk a kékkel jelölt kikapcsolt CRISPR-ollóhoz, azzal létrehoztuk az A-t G-vé alakító másik fajtájú bázisszerkesztőt. Az pedig ugyanazt a megvágottszál-technikát alkalmazza, melyet az első bázisszerkesztő, hogy kicselezze a sejtet a szerkesztetlen T helyettesítésére C-vel, a megvágott szál átalakítása révén. Ezzel megvalósul az A–T bázispár átváltoztatása a G–C bázispárrá. (Taps) Köszönöm. (Taps) Az USA kutatójaként nem szoktam hozzá, hogy tapssal szakítsanak félbe. (Nevetés) Az első két fajtájú bázisszerkesztőt csak három éve, illetve másfél éve fejlesztettük ki. De már e rövid idő alatt is a bázisszerkesztést széles körben használják orvosbiológiai kutatók. Több mint hatezerszer küldtünk a világ minden tájára bázisszerkesztőket több mint 1 000 kutató kérésére. Már száz tudományos közlemény jelent meg e tárgyban, amelyek a bázisszerkesztők alkalmazásáról számoltak be baktériumoktól kezdve növényeken és egereken át főemlősökig. Noha a bázisszerkesztők még túl újak, hogy humán klinikai kísérletekben bevezessék őket, a tudósoknak sikerült fontos lépést tenniük e cél érdekében: állatokban használtak bázisszerkesztőket humán genetikai kórokat okozó pontmutációk kijavítására. Például a laboromban kutató Luke Koblan és Jon Levy diákjaim vezette egyik munkacsoport nemrég vírust használt a másik fajtájú bázisszerkesztő bejuttatásához progériás egerekbe, s ezzel a kórokozó T-t C-vé változtatta vissza, így DNS-, RNS- és fehérjeszinten is elhárította a kór következményeit. Bázisszerkesztőket alkalmaznak állatokban tirozinémia, béta-talasszémia, izomsorvadás, fenilketonuria, veleszületett süketség és bizonyos szív-érrendszeri betegség következményeinek elhárítására, minden esetben közvetlenül kijavítva a betegségokozó vagy ahhoz hozzájáruló pontmutációkat. Bázisszerkesztőket alkalmaznak növényekben egyedi DNS-betűcserékre, amelyek jobb terméshez vezethetnek. Biológusok bázisszerkesztőket alkalmaznak egyes betűk szerepének tisztázására a rákkal és más kórokkal kapcsolatba hozható génekben. A Beam Therapeutics és Pairwise Plants cégek, melyek társalapítója vagyok, bázisszerkesztést használnak humán genetikai kórok kezelésére és a mezőgazdaság fejlesztésére. Az összes bázisszerkesztési megoldást legfeljebb három éve alkalmazzák: ez a tudománytörténeti skálán szempillantásnyi idő. További munka vár még ránk mielőtt a bázisszerkesztés teljesen kifejtené a hatását a genetikai betegséggel küzdő páciensek életminőségének javításában. Noha sok ilyen kórt gyógyíthatónak tartunk a kérdéses mutáció kijavításával, még sejtek csekély töredéke esetén is molekuláris gépek, pl. bázisszerkesztők bejuttatása emberi lények sejtjeibe komoly kihívás lehet. Természetes vírusok segítségül hívása bázisszerkesztők bevitelére náthát okozó molekulák helyett a számos ígéretes beviteli módszer egyike, melyet már sikeresen alkalmaznak. Új molekuláris gépek további fejlesztése, amelyek egyik bázispárt másik bázispárrá változtatnak, és a minimumra csökkentik a szükségtelen szerkesztést a sejt egyéb részein, igen fontos feladat. Fontos kötelezettségünk együttműködnünk más tudósokkal, orvosokkal, etikusokkal és kormányszervekkel, hogy a bázisszerkesztést a legnagyobb mértékben megfontoltan, biztonságosan és erkölcsösen alkalmazzuk. Ha csupán öt éve azt mondták volna, hogy a világ kutatói majd laborban fejlesztett molekuláris gépeket használnak egy-egy bázispár másik bázispárrá való hatékony, minimális mellékhatású közvetlen módosítására a humán genom bizonyos helyén, megkérdeztem volna: "Melyik fantasztikus regényt olvassa?". Kérlelhetetlenül eltökélt diákcsoportunknak köszönhetően, amely elég ötletes volt, hogy véghezvigye, amit magunk megtervezhettünk, és eléggé merész, hogy kifejlessze, amit magunk nem, a bázisszerkesztés a sci-fi-szerű vágyakozásból létező valósággá kezdett válni, amelyben a gyermekeinknek adott legfontosabb ajándék nemcsak a hárommilliárd betű lehet, hanem a betűk védelme és kijavítása is. Köszönöm szépen. (Taps) Köszönöm.