فناوری اصلاح ژنتیک «CRISPR»

اختراع فناوری اصلاح ژنتیک «CRISPR»

US10000772
جنیفر دودنا,امانوئل چارپنتیر

یکی از مهم‌ترین فناوری‌های نوظهور که در آینده نه چندان دور، می‌تواند موجی از نوآوری‌ها و تحولات را به همراه داشته باشد، فناوری اصلاح ژنتیک کریسپر «CRISPR» است. اصلاح ژنتیک، خود مقوله جدیدی نیست و از سالیان دور، تکنیک‌های متعددی برای این منظور توسعه‌یافته‌اند؛ اما چیزی که کریسپر را ویژه نموده و موجب شده است تا انقلابی در حوزه ژنتیک ایجاد شود، دقت بالای آن است. در این روش که بسیار ارزان و ساده است، آنزیم‌ها به هر نقطه‌ای که مورد نظر باشد، حمله می‌کنند. تا قبل از توسعه کریسپر، محققین به کمک روش‌های قبلی، با صرف هزاران دلار و چندین ماه زمان، می‌توانستند ژنی را تغییر دهند؛ اما با استفاده از این فناوری نوظهور، با تنها صرف ۷۵ دلار، در عرض چندین ساعت، می‌توان ژن را تغییر داد. مزیت اساسی فناوری کریسپر، این است که روی هر ارگانیسمی که مورد آزمایش قرارگرفته، نتیجه‌بخش بوده است. البته توسعه این فناوری، با حاشیه‌های فراوانی همراه شده و علاوه بر این‌که نویدبخش بسیاری از تحولات بزرگ بوده، نگرانی‌های فراوانی نیز به همراه داشته است.

در دهه اخیر، محققین به چگونگی دست‌کاری سیستم ایمنی باکتری‌ها برای ویرایش ژن در دیگر ارگانیسم‌ها، حیوانات، گیاهان و حتی انسان‌ها، پی برده‌اند. با استفاده از فناوری کریسپر، محققین می‌توانند چنین کاری را با هزینه بسیار کم و نه در عرض ماه‌ها یا هفته‌ها، بلکه در عرض یک روز انجام دهند. این فناوری، ابزار قدرتمندی است که با استفاده از آن، می‌توان صفات ناخواسته در گیاهان، حیوانات و حتی انسان‌ها را حذف نموده و صفات مطلوبی را با دقتی بیش از آنچه در گذشته انجام می‌شد، به آن‌ها افزود. قطعاً چنین کاری می‌تواند طیف وسیعی از امیدها و نگرانی‌ها را به وجود آورد. امید به این‌که می‌توان بیماری‌ها را در دوران جنینی از بین برد؛ بیماری‌هایی چون سرطان را ریشه‌کن کرده و یا انسان‌ها را از دوران جنینی، در برابر این بیماری‌ها مقاوم نمود؛ با تغییر در ژنتیک گیاهان، آن‌ها را به‌طور چشمگیری حاصل خیز تر کرد و جهانی بدون بحران غذا داشت.

محققان با استفاده از این فناوری منحصربه‌فرد، توانسته‌اند ژن بیماری ناشنوایی را در موش‌ها حذف نمایند؛ چیزی که می‌تواند برای درمان ناشنوایی مشابه در انسان‌ها، مورد استفاده قرار گیرد. با استفاده از این روش، سلول‌های «T» موش‌ها را به‌گونه‌ای تغییر داده‌اند که سلول‌های سرطانی را با قدرت بیش‌تری، مورد حمله قرار دهند. همچنین طی مطالعاتی نشان داده‌اند که با اصلاح ژنتیک، می‌توان گونه‌های گیاهی جدیدی به وجود آورد که نسبت به خشکسالی و کم‌آبی، مقاومند. همچنین می‌توان آنتی‌بیوتیک‌های قدرتمندتری توسعه داد. با استفاده از این تکنیک، می‌توان گونه‌هایی را از بین برد و یا گونه‌های منقرض‌شده‌ای را دوباره به وجود آورد. عده‌ای به آینده این فناوری خصوصاً در رابطه با استفاده در انسان‌ها، خوش‌بین هستند. البته افزودن ویژگی مطلوب به انسان‌ها، موضوعی است که می‌تواند عواقب دور از ذهنی داشته باشد. احتمالاً در آینده نه چندان دور، شاهد چیزی شبیه به فیلم‌های علمی تخیلی، باشیم و دیگر طی مسابقات جهانی همچون المپیک، رقابت نه بر سر آمادگی جسمانی شرکت‌کنندگان یک کشور، بلکه در قدرت آن‌ها برای به‌کارگیری کریسپر خواهد بود!

نگرانی اصلی در مورد استفاده از این فناوری، یک موضوع بسیار ساده است؛ در واقع، این فناوری هنوز به بلوغ نرسیده و محققین اخیراً به این نتیجه رسیده‌اند که ویرایش ژنتیکی می‌تواند به‌طور ناخواسته، زنجیره‌های «DNA» را به‌صورتی بازآرایی نماید که برای انسان بسیار خطرناک باشد و خود منجر به سرطان و یا پیامدهای ناگوارتر شود. مخاطرات و عدم قطعیت پیرامون کریسپر، بسیار بالا است. اخیراً یک محقق چینی، با انتشار اخبار و ویدیویی، دنیا را در بهت فرو برد؛ وی مدعی شده بود که اولین جنین با استفاده از اصلاح ژنتیک را به وجود آورده است و با دست‌کاری ژنتیک، آن را نسبت به «HIV» مقاوم کرده است. وی با انتشار این خبر که از کمپین خبری گسترده‌ای بدین منظور استفاده کرده بود، موجی از مباحث پیرامون این فناوری را دوباره به وجود آورد. نشست‌های متعددی توسط محققین، صاحب‌نظران و کارشناسان حول این خبر به وجود آمد. عده‌ای کار وی را قابل‌تقدیر و عده دیگر، آن را مورد انتقادات شدید قرار دادند. برخی از صاحب‌نظران حوزه‌های مختلف، اصلاح ژنتیک در انسان را امری غیراخلاقی و دست بردن در طبیعت انسان می‌دانند و در همین راستا، در بسیاری از کشورها، چنین تحقیقاتی غیرقانونی است. البته نظر عموم متخصصین حوزه ژنتیک، بر این است که فناوری کریسپر، هنوز به بلوغ لازم نرسیده و باید تحقیقات گسترده‌ای حول این موضوع صورت گیرد تا بتوان از آن برای انسان استفاده نمود.

اما کریسپر چیست و از کجا آغاز گردید؟ چه کسی را به‌عنوان مخترع این حوزه امیدبخش و درعین‌حال نگران‌کننده می‌شناسند؟ در سال ۱۹۸۷ میلادی، زمانی که تیم تحقیقاتی به سرپرستی یوشیزومی ایشی نو «Yoshizumi Ishino»، در دانشگاه «Osaka»، به مطالعه یک باکتری به نام «E.coli» می‌پرداختند، برای اولین بار با تکرار غیرعادی یک توالی در «DNA» ارگانیسم‌ها روبه‌رو شدند. اهمیت بیولوژیکی این توالی، درگذر زمان ناشناخته باقی‌مانده بود. دیگر محققین نیز، چنین توالی را در «DNA» باکتری‌های دیگر یافتند. آن‌ها این توالی را «تناوب های کوتاه پالیندرومی فاصله‌دار منظم خوشه‌ای» «Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats» نامیدند که به‌اختصار، به آن «CRISPR» گفته می‌شود. البته اساس این توالی، تا سال ۲۰۰۷ میلادی نیز، رمزآلود باقی ‌ماند.

 زمانی که محققین در حال مطالعه بر روی باکتری استرپتوکوک بودند، نشان دادند که این توالی، عملکرد بسیار مهمی داشته و به‌عنوان قسمتی از سیستم ایمنی باکتری عمل می‌کند. باکتری‌ها همواره توسط ویروس‌ها موردحمله قرار می‌گیرند. بنابراین برای مبارزه با ویروس‌ها، آنزیم‌هایی تولید می‌کنند که برای کشتن ویروس‌های متخاصم مورد استفاده قرار می‌گیرد. سپس آنزیم‌های دیگری، کدهای ژنتیک ویروس را خارج و تقسیم نموده و سپس در فضای کریسپر ژنوم خود باکتری، ذخیره می‌کند. می‌توان فضای کریسپر برای ویروس‌ها را به گالری تصاویر مجرمین در ادارات پلیس تشبیه نمود. باکتری‌ها از اطلاعات ژنتیکی ذخیره‌شده در این فضاها، برای شناسایی و دفع حملات آتی استفاده می‌کنند. هنگامی‌که یک حمله ویروسی جدید اتفاق می‌افتد، باکتری، آنزیم مخصوص برای مقابله با آن را که کیس ۹ «Cas9» نامیده می‌شود، برای حمله تولید می‌کند. زمانی‌که این آنزیم‌ها با ویروس روبه‌رو می‌شوند، بررسی می‌کنند که آیا «RNA» ویروس، با موارد موجود در این تابلو تطابق دارد یا خیر. اگر تطابقی پیدا شود، آنزیم شروع به خرد کردن «DNA» ویروس نموده تا خطر را خنثی کند.

تا سال‌ها، این یافته مورد توجه کسی به‌جز میکروبیولوژیست‌ها نبود و از همین رو، از اهمیت چندانی برخوردار نبود. در سال ۲۰۱۱ میلادی، تحقیقاتی انجام گرفت که این موضوع کم‌اهمیت را، به معنای واقعی به اساس یک فناوری تحول‌آفرین تبدیل نمود. جنیفر دودنا «Jennifer Doudna»، از دانشگاه برکلی کالیفرنیا و امانوئل چارپنتیر «Emmanuelle Charpentier» از دانشگاه «Umeå» در سوئد، به تحقیقات گسترده‌ای در مورد آنزیم کیس ۹ پرداختند. این‌که این آنزیم چگونه کار می‌کند، چگونه می‌تواند «RNA» را با موگ شات (mug shots) یا تصویر ویروس مجرم تطابق دهد و این‌که آنزیم چگونه می‌تواند تشخیص دهد که چه موقع باید زنجیره ویروس را خرد نماید، تمامی مواردی بود که بعد از مقاله محقق ژاپنی، توسط این دو مورد مطالعه قرار گرفت. دودنا طی آزمایش‌های خود، متوجه شد که می‌توان با تغذیه «RNA» مصنوعی به‌عنوان یک موگ شات مصنوعی، پروتئین کیس ۹ را فریب داد. زمانی که چنین کاری انجام شد، آنزیم به دنبال هر چیزی با کد مشابه و نه‌تنها ویروس، بوده و بعد از آن، شروع به شکستن آن می‌کند. دودنا به همراه چارپنتیر و مارتین جینک «Martin Jinek»، نشان دادند که می‌توان با استفاده از سیستم «CRISPR\CAS 9»، هر ژنومی را در هر مکانی شکست. علی‌رغم این‌که این تکنیک تنها در آزمایش‌های مولکولی در تیوپ‌ها نشان داده ‌شده بود، نتایج بعدی این دستاورد واقعاً خیره‌کننده بود. لازم به ذکر است که جنیفر دودنا به همراه مارتین جینک، امانوئل چارپنتیر و سه محقق دیگر، در سال ۲۰۱۲ نسبت به ثبت درخواست ثبت اختراعی در دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا «USPTO»، اقدام نمودند که این درخواست در نوزدهم ژوئن سال ۲۰۱۸ میلادی، موفق به اخذ گواهی ثبت اختراعی به شماره «US10000772» گردید.

 

 

پیشرفت‌های آتی در این حوزه، در پی تحقیقات فنگ ژانگ «Feng Zhang» از موسسه تحقیقاتی «Broad» وابسته به دانشگاه هاروارد و «MIT» صورت گرفت. وی نشان داد که این فناوری، می‌تواند برای ویرایش ژنوم‌های سلول‌های کشت داده ‌شده موش‌ها یا سلول‌های انسانی، مورد استفاده قرار گیرد. فنگ ژانگ نیز در اواخر سال ۲۰۱۲ میلادی برای تکنیکی که توسعه داده بود، پتنتی به ثبت رسانید که در سال ۲۰۱۴ میلادی، گواهی ثبت اختراعی به شماره «US8697359» به آن اختصاص یافت.

 

 

بعدها محققین دیگری نیز نشان دادند که می‌توان «CRISPR/CAS 9» را برای مقاصد متعددی مورد استفاده قرارداد. نه‌تنها با استفاده از این تکنیک می‌توان ژنی را بی‌اثر نمود، بلکه می‌توان آنزیم بازسازی را به‌گونه‌ای مهار کرد که ژن مطلوب را در جایگاه خالی جایگزین کند. اگرچه توسعه فناوری اصلاح ژنتیک کریسپر، سابقه چندانی ندارد، با این وجود، با رشد بی‌سابقه‌ای همراه شده است. در سال ۲۰۱۱ میلادی، کم‌تر از ۱۰۰ مقاله در رابطه با آن وجود داشته است و پتنتی در رابطه با آن ثبت‌نشده بود، ولی طی سال ۲۰۱۸ میلادی، تعداد مقالات مربوط به این حوزه، ۱۷۰۰۰ مورد و پتنت‌های مربوطه به آن، به بیش از ۵۰ عدد رسید.

موضوع دیگری که در رابطه با این حوزه توجه‌های زیادی را به خود جلب نموده است، جنگ حقوقی شدید و کم‌سابقه میان دانشگاه‌های مطرح برکلی، «MIT» و هاروارد، بر سر مالکیت این فناوری است که مشخص کند، چه کسی صاحب حقوق پرسود آن خواهد بود. سؤال اساسی این است که آیا مقاله دودنا در دانشگاه برکلی که در سال ۲۰۱۲ منتشر گردید، گام آغازین این فناوری بوده و یا تحقیقات ژانگ در موسسه تحقیقاتی «Broad» منجر به آفرینش این فناوری شده است. لازم به ذکر است که علی‌رغم حمایت مالی دولت از هر دو تحقیقات، طبق قانون بای-دال «The Bayh-Dole Act» که در سال ۱۹۸۰ میلادی تصویب گردید، حقوق مالکیت فکری دستاورد این تحقیقات، متعلق به دانشگاه‌ها خواهد بود. اعطای پتنت به موسسه تحقیقاتی دانشگاه‌های هاروارد و «MIT»، باعث به راه افتادن جنگ حقوقی بین این دانشگاه‌ها و برکلی شد. منافع بالایی که این فناوری برای صاحبین حقوق آن می‌توانست داشته باشد کاملاً روشن بود، به‌خصوص که این فناوری، در مرحله توسعه و تجاری‌سازی قرار داشت و دانشگاهی که حقوق مالکیت را به خود اختصاص می‌داد، می‌توانست با کسب درآمد بالایی همراه شود. در آوریل سال ۲۰۱۵، دانشگاه برکلی به منظور تجدیدنظر در خصوص پتنت موسسه برود و لغو آن، درخواستی به «PTAB» ارائه نمود. بعد از کشمکش‌های فراوان صورت گرفته، حکم دادگاه مبنی بر این بود که هیچ تداخل و هم‌پوشانی در ادعاهای موجود در پتنت متعلق به این دانشگاه‌ها وجود نداشته و در دو پتنت، تکنیک‌های متفاوتی بیان‌شده است. در این راستا، اگرچه دودنا و چارپنتیر به عنوان مخترعین اصلی این فناوری به شمار می‌روند، ولی این تصمیم دادگاه، شکل دیگری به تاریخچه پیدایش کریسپر داد و نام فنگ ژانگ را نیز، به‌عنوان مخترع تکنیکی از کریسپر که دنیا را متحول خواهد کرد، در تاریخ ثبت نمود.

با این همه، از طرف جامعه علمی، دودنا و چارپنتیر به‌عنوان پیشگامان کریسپر شناخته می‌شوند و در این خصوص، جوایز متعددی دریافت نمودند که از آن جمله، می‌توان به جایزه سه میلیون دلاری «Breakthrough Prize in the life sciences»، جایزه ۵۰۰ هزار دلاری «Gruber Genetics» و جایزه ۴۵۰ هزار دلاری «Japan Prize»، اشاره نمود. همچنین، زمزمه‌های در خصوص اعطای احتمالی جایزه نوبل به این دو محقق نیز، به گوش می‌رسد.