بیوشیمیست دیوید آر. لیو درباره ی موفقیت در یک کشف علمی صحبت می کند: توسعه آزمایشگاهی از ویرایشگرهای بازهایی که می توانند DNA را بازنویسی کنند. این مرحله مهم در ویرایش ژنوم ، تکنیک CRISPR را به سطح بعدی می برد، اگر پروتئین های CRISPR را به عنوان قیچی مولکولی در نظر بگیریم که برای برش توالی های DNA خاص برنامه ریزی شده اند ، در این صورت ویرایشگرهای بازهای DNA مدادهایی هستند که قادر به بازنویسی مستقیم یک حرف DNA به دیگری هستند. درباره نحوه کار این ماشین های مولکولی – و پتانسیل آنها در درمان یا حتی درمان بیماری های ژنتیکی بیشتر بدانید.
مهمترین هدیه‌ای که پدر و مادر شما تا به حال به شما داده‌اند دو دسته‌ی سه میلیاردی از حروف DNA بوده که ژنوم شما را می‌سازد. اما مثل هر چیز دیگری با سه میلیارد اجزا، آن هدیه آسیب‌پذیر است. نور خورشید، سیگار، تغذیه ناسالم، حتی اشتباهات خود بخودی سلول‌هایتان، همگی باعث تغییر در ژنوم شما می‌شود. رایج‌ترین تغییر در DNA مبادله‌ی ساده‌ی یک حرف، یا باز، مثل C، با حرف دیگر، مثل T، G، یا A هست. در هر روز، سلولهای بدن شما در مجموع میلیاردها مبادلات تک حرفی انجام می‌دهند که «جهش‌های نقطه‌ای» نیز نامیده می‌شوند.
بیشتر این جهش‌های نقطه‌ای بدون ضرر هستند. اما هر از گاهی، یک جهش نقطه‌ای قابلیتی مهم در یک سلول را مختل می‌کند یا باعث می‌شود سلول به روش‌های مخربی بدرفتاری کند. اگر آن جهش از والدین شما به ارث رسیده باشد یا خیلی زود در دوران رشد شما رخ داده باشد، نتیجه این خواهد شد که بسیاری یا تمام سلولهای شما این جهش خطرناک را داشته باشند. و شما درنهایت یکی از صدها میلیون نفری خواهید شد که به بیماری ژنتیکی، مثل کم‌خونی سلول داسی شکل یا پیری زودرس یا تحلیل عضلانی یا بیماری تای ساکس مبتلا خواهید شد.
بیماری‌های شدید ژنتیکی که به وسیله‌ی جهش‌های نقطه‌ای رخ می‌دهند واقعا ناامید کننده هستند، چون ما اغلب تغییر دقیق یک حرف را می‌دانیم که باعث بیماری می‌شود و از لحاظ تئوری، می‌توانیم آن را درمان کنیم. میلیون‌ها نفر از کم‌خونی سلول داسی شکل رنج می‌برند چون آنها جهش‌هایی نقطه‌ای از A تا T در هر دو نسخه‌ی ژن هموگلوبین خود دارند. و کودکان دچار پیری زودرس با T در یک جایگاه در ژنومشان به دنیا می‌آیند جایی که شما یک C دارید، با عواقب ویرانگری که این بچه‌های باهوش و فوق‌العاده خیلی سریع پیر می‌شوند و حدودا تا ۱۴ سالگی فوت می‌کنند. در طول تاریخ درمان، ما راهی برای اصلاح موثر جهش‌های نقطه‌ای در سیستم‌های زنده نداشته‌ایم، تا آن T باعث بیماری را به C تغییر دهیم. شاید تا به امروز. چون آزمایشگاه من اخیرا موفق به توسعه‌ی چنین توانایی شده است، که ما آن را «ویرایش باز» می‌نامیم. [ویرایش مولکولی DNA]
داستان اینکه ما چطور به ویرایش باز رسیدیم در حقیقت به سه میلیارد سال قبل باز می‌گردد. ما به باکتری به عنوان منبع بیماری نگاه می‌کنیم، اما باکتری‌ها خودشان مستعد آلوده شدن هستند، بویژه توسط ویروس‌ها. بنابراین حدود سه میلیارد سال قبل، باکتری‌ها مکانیسمی دفاعی برای مبارزه با عفونت‌های ویروسی شکل دادند. آن مکانیسم دفاعی امروزه بیشتر به عنوان کریسپر شناخته می‌شود و کلاهک جنگی در کریسپر این پروتئین بنفش رنگ است که مانند قیچی مولکولی برای بریدن DNA عمل می‌کند، و هلیکس‌های دوگانه را به دو قسمت می‌شکند. اگر کریسپر نتواند تفاوت بین DNA باکتریایی و ویروسی را تشخیص دهد، آن سیستم دفاعی مطمئن نخواهد بود.
اما مهمترین ویژگی کریسپر این است که قیچی‌ها می‌توانند برنامه‌ریزی شوند تا تنها یک توالی خاص DNA را جستجو کنند، به آنها متصل شوند، و آنها را برش دهند. بنابراین وقتی باکتری برای اولین بار با ویروسی مواجه می‌شود، می‌تواند بخش کوچکی از DNA ویروس را ذخیره کند تا به عنوان برنامه برای هدایت کردن قیچی‌های کریسپر استفاده کند تا توالی آن DNA ویروسی را در دوران عفونت در آینده قطع کند. قطع کردن DNA یک ویروس نقش ژن ویروسی جدا شده را به هم می‌ریزد، و بنابراین چرخه‌ی زندگی ویروس را مختل می‌کند.
محققان بزرگی از جمله امانوئل چارپنتیر، جورج چرچ، جنیفر دوندا، فنگ ژنگ ۶ سال پیش نشان دادند قیچی‌های کریسپر چطورمی‌توانند برنامه‌ریزی شوند تا توالی DNA منتخب ما را قطع کنند، شامل توالی ژنوم شما، به جای توالی‌های DNA ویروسی که توسط باکتری انتخاب شده است. اما نتایج درواقع شبیه هستند. جدا کردن توالی DNA در ژنوم شما معمولا عملکرد ژن جدا شده را نیزمختل می‌کند، با قرار دادن و حذف کردن ترکیب‌های تصادفی از حروف DNA در محل برش.
اکنون مختل کردن ژنها می‌تواند برای بعضی کاربردها خیلی مفید باشد. اما در بیشتر جهش‌های نقطه‌ای که باعث بیماری‌های ژنتیکی می‌شوند، بریدن ژن قبلا جهش یافته به تنهایی به نفع بیماران نیست، زیرا نقش ژن جهش یافته باید ترمیم شود، و نه اینکه بیشترمختل شود. بنابراین بریدن این ژن از قبل جهش یافته‌ی هموگلوبین که باعث کم‌خونی سلول داسی شکل می‌شود توانایی بیماران را برای ایجاد سلولهای خونی قرمز و سالم ترمیم نمی‌کند. و درحالیکه گاهی می‌توانیم توالی جدید DNA را در سلول‌ها معرفی کنیم تا جایگزین توالی‌های DNA در اطراف محل برش بشود، متاسفانه، آن فرایند در بیشتر گونه‌های سلولی کار نمی‌کند، و عواقب ژن‌های مختل شده همچنان غالب است.
مثل خیلی ازدانشمندان رویای آینده‌ای را دیده‌ام که در آن ممکن باشد بتوانیم بیماری‌های ژنتیکی انسان را معالجه یا درمان کنیم. اما من خلا روش ترمیم جهش‌های نقطه‌ای را که باعث بروز بیشتر بیماری‌های ژنتیکی انسان می‌شود، به عنوان مشکلی اساسی بر سر راه می‌دیدم .
به عنوان شیمی‌دان، من شروع به کار با دانش‌آموزانم کردم تا روش‌هایی برای اجرای مستقیم عملیات شیمیایی روی بازهای DNA افراد توسعه دهیم، و جهش‌هایی که باعث بیماری ژنتیکی می‌شوند را به جای مختل کردن واقعا درمان کنیم. نتیجه‌ی تلاش‌هایمان دستگاههای مولکولی هستند که «ویرایشگرهای باز» نام دارند. [ویرایش مولکولی DNA] ویرایشگرهای باز از مکانیسم قابل جستجوی قیچی‌های کریسپر استفاده می‌کنند، اما به جای برش DNA، آنها مستقیم یک باز را به دیگری تغییر می‌دهند بدون مختل کردن بقیه ژنها. بنابراین اگر به پروتئین‌های طبیعی کریسپر به عنوان قیچی‌های مولکولی فکر کنید، می‌توانید ویرایشگرهای باز را مداد در نظر بگیرید، که مستقیما قادر هستند یک حرف DNA را به حرف دیگر تبدیل کنند در واقع با مرتب کردن دوباره اتم‌های باز DNA تا برخلالف [قیچی] به باز متفاوتی تبدیل شوند.
اکنون، ویرایشگرهای باز در طبیعت وجود ندارند. درواقع ما اولین ویرایشگر باز را که اینجا نشان داده شده طراحی کردیم، از سه پروتئین جدا که حتی ازارگان مشابهی نیستند. ما با گرفتن قیچی‌های کریسپر و غیرفعال کردن توانایی بریدن DNA کارمان را آغاز کردیم درحالیکه توانایی جستجو و متصل شدن به توالی DNA را حفظ کردیم با حالتی برنامه‌ریزی شده. به قیچی‌های کریسپر غیرفعال شده که با رنگ آبی نشان داده شده، ما پروتئین دوم قرمز رنگ را متصل کردیم، که واکنشی شیمیایی روی DNA باز C انجام می‌دهد. آن را به بازی تبدیل می‌کند که مثل T رفتار می‌کند. سوم، ما مجبور بودیم پروتئین دیگری را به دو پروتئین اول متصل کنیم که با رنگ بنفش نشان داده شده که باز ویرایش شده را از حذف شدن توسط سلول محافظت می‌کند. نتیجه‌ی نهایی پروتئینی مهندسی شده و سه قسمتی است که برای اولین بار به ما اجازه می‌دهد C را به T تبدیل کنیم در مکانهای مشخصی در ژنوم.
اما حتی در این مرحله، تنها نیمی از کار ما انجام شده بود. چون برای ثابت ماندن در سلول‌ها، دو رشته‌ی دوگانه‌ی هلیکس در DNA باید جفت‌های باز بسازند. و چون C تنها با G جفت می‌شود، و T تنها با A، تغییر یک C به T در یک رشته‌ی DNA عدم هماهنگی ایجاد می‌کند. تضادی بین دو رشته‌ی DNA که سلول باید با تصمیم‌گیری اینکه جایگزین کدام رشته شود آن را برطرف کند. ما تشخیص دادیم که می‌توانیم این پروتئین سه قسمتی را بیشتر مهندسی کنیم تا رشته‌ی ویرایش نشده را برای جایگزینی نشانه‌گذاری کند با ایجاد شکافی کوچک در آن رشته. این شکاف کوچک سلول را فریب می‌دهد تا G ویرایش نشده را با یک A جایگزین کند وقتی که رشته‌ی شکاف‌دار را دوباره می‌سازد، بنابراین تبدیل جفت بازی C-G قبلی را به جفت بازی T-A پایدارکامل می‌کند.
بعد از سالها کار سخت، با رهبری دانشجوی فوق‌دکترای سابق آلکسیس کومور، درآزمایشگاه ما موفق به توسعه‌ی این اولین دسته‌ی ویرایشگران باز شدیم، که C را به T، و G را به A تبدیل می‌کند در جایگاه‌های مشخص به انتخاب ما. در بین بیش از ۳۵,۰۰۰ جهش نقطه‌ای مرتبط با بیماری، دو نوع جهش که این اولین ویرایشگر پایه می‌تواند برعکس کند در مجموع مسئول ۱۴ درصد یا حدود۵,۰۰۰ جهش‌های نقطه‌ای بیماری‌زاست. اما اصلاح بزرگترین دسته جهش‌های نقطه‌ای بیماری‌زا نیازمند توسعه‌ی دسته‌ی دومی از ویرایشگرهای باز است، نوعی که بتواند A را G و T را به C تبدیل کند. با رهبری دانشجوی فوق‌دکترای سابق، نیکول گودلی درآزمایشگاه، ما شروع به توسعه‌ی این دسته‌ی دوم ویرایشگر باز کردیم، که در فرضیه‌ها می‌توانست تقریبا تا نیمی از جهش‌های بیماری‌زا را اصلاح کند، از جمله آن جهشی که باعث بیماری پیری سریع پروگریا می‌شود.
ما تشخیص دادیم که بار دیگر می‌توانیم، مکانیسم هدف‌گیری قیچی‌های کریسپر را قرض بگیریم تا ویرایشگر باز جدید را به مکان مناسب در ژنوم بیاوریم. اما خیلی سریع با مشکلی باورنکردنی مواجه شدیم؛ به این شرح که، پروتئینی وجود ندارد که برای تبدیل A به G یا T به C در DNA شناخته شده باشد. در مواجهه با چنین مانع جدی و دشواری، اغلب دانشجویان احتمالا اگر دنبال استاد راهنمای دیگری نگردند، سراغ پروژه‌ی دیگری می‌روند . (خنده) اما نیکول قبول کرد با نقشه‌‌ای پیش برویم که در آن زمان کاملا بلند پروازانه بود. با غیاب پروتئینی طبیعی که عملیات شیمیایی لازم را انجام دهد، تصمیم گرفتیم پروتئین خودمان را در آزمایشگاه تکامل دهیم تا A را به بازی تبدیل کنیم که مثل G رفتار کند، از پروتئینی شروع کردیم که کار شیمیایی را روی RNA (اسید ریبونوکلئیک) انجام دهد. ما سیستم انتخابیِ «بقای سازگارترین گونه» داروین را برقرار کردیم که ده‌ها میلیون گونه پروتئین را بررسی کرد و تنها به آن متغیرهای کمیاب اجازه داد که می‌توانستند تغییر شیمیایی لازم را برای بقا انجام دهند. ما به پروتئینی رسیدیم که اینجا نمایش داده شده، اولین پروتئینی که می‌تواند A را در DNA به بازی تبدیل کند که شبیه G است. و زمانیکه آن پروتئین را به قیچی‌های غیرفعال شده‌ی کریسپر، با رنگ آبی متصل کردیم، ما دومین ویرایشگر باز را تولید کردیم، که A را به G تبدیل می‌کند، و سپس از همان استراتژیِ شکافِ رشته استفاده می‌کند که در ویرایشگر باز اول استفاده کردیم تا سلول را در جایگزینی T ویرایش نشده با C فریب بدهیم وقتی رشته شکافته را دوباره می‌سازد، و بنابراین تبدیل جفت بازی A-T به جفت بازی G-C را کامل کردیم.
به عنوان یک محقق دانشگاهی در امریکا، عادت ندارم صحبتم بخاطر تشویق قطع شود.
ما این دو دسته از ویرایشگران باز را تنها سه سال قبل و یک سال و نیم قبل توسعه دادیم. اما حتی در آن مدت کوتاه، ویرایش باز به صورت گسترده بین جامعه‌ی محققین زیست پزشکی استفاده می‌شود. ویرایشگران باز بیش از ۶,۰۰۰ بار به درخواست بیش از ۱,۰۰۰ محقق از سرتاسر دنیا فرستاده شده‌اند. و صد مقاله‌ی علمی پژوهشی منتشر شده‌اند که از ویرایشگران باز در ارگانیسم‌های متنوعی از باکتری تا گیاهان، موش‌ها و نخستی‌سانان استفاده کرده‌اند
درحالیکه ویرایشگران باز برای وارد آزمایشات بالینی انسانی خیلی جدید هستند، دانشمندان به سنگ بنای مهمی جهت دستیابی به آن هدف رسیده‌اند، با استفاده از ویرایشگران باز روی حیوانات تا جهش‌های نقطه‌ای که باعث بیماری‌های ژنتیکی انسان می‌شود را اصلاح کنند. برای مثال، تیمی متشکل از محققان با رهبری لوک کوبلان و جان لِوی، و دو دانشجوی دیگر در آزمایشگاه من، اخیرا از ویروسی برای انتقال آن ویرایشگر دوم به بدن موشی که مبتلا به پیری زودرس است استفاده کرده اند، و آن T عامل بیماری را به C بازگردانده و عواقب آن را در DNA، RNA و سطوح پروتئینی معکوس کرده است.
ویرایشگران باز همچنین در حیوانات استفاده شده‌اند تا عواقب تیروزنیمی (نوعی ناهنجاری متابولیسمی)، تالاسمی بتا، تحلیل عضلانی، فنیل کتونوری(نوعی نقص متابولیکی)، ناشنوایی مادرزادی و نوعی بیماری فلبی-عروقی را معکوس کنند– درهر مورد، مستقیما از طریق اصلاح جهش نقطه‌ای که باعث یا عاملی در بیماری می‌شود. در گیاهان، ویرایشگران باز برای معرفی تغییرات جداگانه حروف DNA استفاده می‌شوند که می‌تواند به محصولات بهتری منجر شود. زیست‌شناسان از ویرایشگران باز برای بررسی نقش حروف جداگانه در ژن‌های مرتبط با بیماری‌هایی مثل سرطان استفاده کرده‌اند. دو شرکتی که من در آن بنیان‌گذارشراکتی هستم، «بیم تراپیوتیک و ییرویز پلنتس» در حال استفاده از ویرایش باز برای درمان بیماری‌های ژنتیکی انسان و بهبود کشاورزی هستند. تمام این کاربردهای ویرایش باز در کمتر از سه سال گذشته اتفاق افتاده است: که در مقیاس زمانی تاریخی علم، (معادل) یک چشم بهم زدن است.
کارهای دیگری در پیش رو است قبل از آنکه ویرایش باز بتواند ظرفیت کامل خودش را تشخیص دهد تا زندگی بیماران ژنتیکی را بهبود ببخشد. در حالیکه به نظر می‌رسد بسیاری از این بیماری‌ها با اصلاح جهش مورد نظر قابل درمان هستند در حتی نسبت کوچک‌تری از سلولهای یک عضو، انتقال دستگاههای مولکولی مثل ویرایشگران باز به درون سلولهای انسان می‌تواند چالش‌انگیز باشد. همکاری ویروس‌های طبیعت برای انتقال ویرایشگران باز به جای مولکول‌هایی که باعث سرماخوردگی شما می‌شود یکی از چندین استراتژی نویدبخش انتقال است که به صورت موفق استفاده شده است. ادامه دادن به توسعه‌ی دستگاههای مولکولی جدید که بتواند باعث شود تمام روش‌های باقی یک جفت باز را به جفت بازی دیگر تبدیل کنند و اینکه ویرایش‌های ناخواسته ای که هدف نیستند در سلول‌ها را به حداقل برسانند خیلی مهم است. و همکاری با دیگر دانشمندان، دکترها، اخلاق‌شناسان و دولت‌ها برای به حداکثر رساندن احتمال اینکه ویرایش باز آگاهانه، امن و اخلاقی به کار برده شود، ضرورتی مهم باقی می‌ماند.
با وجود این چالش‌ها،اگر همین پنج سال پیش به من گفته بودیدکه محققان در سرتاسر دنیااز دستگاههای مولکولی تکامل گرفته در آزمایشگاه استفاده خواهند کردتا مستقیما یک جفت باز رابه جفت بازی دیگردر مکان مشخصی از ژنوم انسانبه صورت موثر و با حداقل عوارض جانبی تبدیل کنند،من از شما می‌پرسیدم،«کدام رمان علمی-تخیلی را می‌خوانید؟»به لطف تلاش‌های بی‌وقفه‌ی دانشجویانیکه به قدری خلاق بودند تا چیزی را که خودمان تواستیم طراحی کنیم مهندسی کنندو آنقدر شجاع بودند تا چیزی که نتوانستیم را تکامل دهند،ویرایش باز، از آن آرزوی علمی-تخیلی گونه در حال تبدیل شدن به واقعیتی جدید و هیجان انگیز است.واقعیتی که در آن مهمترین هدیه‌ای که به فرزندانمان می‌دهیمشاید تنها سه میلیارد حروف DNA نباشد،بلکه همچنین ابزاری برای محافظت و تعمیر آنها باشد.