Den genetiska revolutionen
Från upptäckten av dna till introduktionen av genredigering gick det mindre än 200 år.
På 1800-talet upptäckte den schweiziske biologen Friedrich Miescher något underligt: när han öppnade kärnorna i vita blodkroppar fann han en substans som innehöll större mängder fosfor än han någonsin sett. Han kallade substansen för nuklein, men vi känner den som dna.
Dna står för deoxiribonukleinsyra. Tack vare den ryskfödde amerikanske forskaren Phoebus Levene vet vi att det består av tre delar. Fosforn som Miescher fann binder till den femkantiga sockerarten deoxiribos. Den är i sin tur kopplad till en kvävehaltig struktur som kallas kvävebas. Fyra olika baser utgör de kemiska bokstäverna i den genetiska koden, och socker- och fosforämnena binder till dem i långa strängar.
De fyra dna-bokstäverna är adenin, cytosin, guanin och tymin. De är bäst kända under bokstavsförkortningarna A, C, G och T. I en dna-sekvens motsvarar mängden A mängden T och mängden C mängden G, men det var först när Nobelpristagarna James Watson och Francis Crick undersökte molekylens struktur som vi fick veta varför.
Rosalind Franklin och Maurice Wilkins hade fotograferat dna med hjälp av röntgenstrålar. Med deras bilder och utskurna kartongbitar med dna-baserna experimenterade Watson och Crick med olika tänkbara konfigurationer. 1953 kunde de slutligen visa att dna är en dubbelspiral där två långa kodsträngar snor sig runt som en vriden stege. Baserna på den ena strängen är kopplade till baserna på den andra via vätebindningar, som bildar stegpinnarna. Sockret och fosfaterna utgör stegens sidor, eller ”ryggraden”. Tomrummet mellan stegpinnarna gör att andra molekyler kan läsa av eller kopiera koden. Dna vrider sig åt höger och baserna är riktade inåt i dubbelspiralen och bildar par med baserna på den andra strängen. A längs den ena sidan fäster vid T på den andra, medan C och G parar ihop sig. Den ena strängen lagrar kod uppifrån och ner, och den andra lagrar den omvända koden nerifrån och upp. Båda strängarna har ett upp och ett ner, som forskarna kallar 5’ respektive 3’ (”five prime” och ”three prime”). Dessa är ungefär som att sätta stor bokstav först i en mening och avluta med punkt och berättar för cellen i vilken riktning koden ska läsas.
Dna-strukturen har blivit ikonisk, men den speciella vridningen förekommer hos många biologiska molekyler. Kollagensträngarna i huden är vridna som rep, och det är även keratinet i håret. Byggklossarna i dna är asymmetriska och förskjuts när de staplas kant till kant. När Watson och Crick väl hade klarlagt strukturen var nästa steg att knäcka koden. Den uppgiften tog biokemisten Marshall Nirenberg på sig.
Proteiner utgör största delen av kroppens molekylära maskineri och cellerna bygger upp dem av aminosyror. Det finns 20 stycken olika aminosyror och Nirenberg la de olika typerna i var sitt rör. För att förstå vad de enskilda dna-sekvenserna betydde tog han fram syntetiska strängar. Sedan undersökte han vilka aminosyror som kopplades samman av de olika sekvenserna. Hans arbete visade att dna lagrar information som ”ord” på tre bokstäver. Det finns ett ord för ”start”, som anger början på en gen, tre ord för ”stopp”, som anger slutet, och 60 andra kodon på tre bokstäver som svarar mot aminosyror.
När man väl hade kodnyckeln var nästa steg att avkoda genomet. För att göra det möjligt uppfann Frederick Sanger dna-sekvensering 1977. Hans banbrytande teknik innebar att koden bryts upp i överlappande fragment i
närheten av ”kedjebildande” nukleotider. Dessa avbryter kopieringen tillfälligt och indikerar vilken bas som har lagts till i slutet av sekvensen. Bit för bit avläses varje bokstav i koden. När Sanger väl hade koden för varje fragment kunde han sätta ihop fragmenten igen som ett pussel.
Utrustade med det nya verktyget lyckades forskarna läsa det första fullständiga genomet 1995. Det tillhörde bakterien Haemophilus influenzae. För första gången hade forskarna en fullständig instruktionsbok för att skapa en levande organism. År 2000 kartlade forskarna bananflugans genetiska kod. 2002 kartlades musens. Och året därpå fann de sekvenseringens heliga graal och kunde kartlägga hela det mänskliga genomet.
Med tillgång till chiffernyckeln kunde forskarna börja förstå hur gener fungerar och varför det går fel ibland. I början av 2000-talet hade de skaffat sig en uppsättning kraftfulla molekylära verktyg som kunde hjälpa dem i undersökningarna. Men trots det skulle det bli en 20 år äldre uppfinning som blev den avgörande vändpunkten i strävan efter att avkoda människans dna.
1983 uppfann den amerikanske biokemisten Kary Mullis polymeraskedjereaktionen (PCR-metoden), en bedrift som ledde till att han fick Nobelpriset i kemi 1993. PCR är en metod för att kopiera dna som gör det möjligt att skapa miljontals identiska sekvenser av en dna-sträng. Först stiger temperaturen och dubbelspiralen klyvs.
Sedan kopierar enzymet polymeras-dna:t.
Till sist sjunker temperaturen, och strängarna bildar matchande par samt dubbelspiraler igen. Forskare kan välja var de vill börja och avsluta kopieringen genom att välja korta dna-sekvenser som kallas primers. Med det nya verktyget blev det ännu enklare att studera enskilda gener.
Forskarna hade även tillgång till en form av nukleaser som kunde användas för att klyva dna, nämligen restriktionsenzymer.
Dessa klyver dna på specifika ställen och lämnar gärna kvar ett överhäng. De ”klistriga ändarna” gör att man kan limma ihop olika dna-fragment, vilket öppnar dörren för genetisk ingenjörskonst.
Tack vare PCR kan forskare skapa kopior av en gen de är intresserade av. Sedan skär de ut en cirkel med bakteriellt dna, en plasmid. De klistrar in genen och sätter tillbaka plasmiden i bakterien så att mikroberna kan läsa koden. Bakterierna använder genen som om den var deras egen, avkodar trebokstavsorden och kopplar ihop aminosyror för att bilda proteiner. Läkemedelsbranschen använder metoden
”Med tillgång till chiffernyckeln kunde forskarna börja förstå hur gener fungerar och varför det går fel ibland.”
för att framställa insulin för behandling av diabetes. Den är också vanlig i laboratorier som producerar proteiner för forskningsändamål. Men bakterier är inte de enda organismer som kan acceptera främmande dna. Biologer kan också sätta in gener i djur- eller människoceller i en process som kallas transformation.
Mänskliga celler använder sig inte av plasmider så som bakterier gör, men det finns en liten möjlighet till att den genetiska kod som förs in i cellen ska smälta samman med genomet. I genmanipulationens tidiga skede ökade forskarna chansen genom att skapa brott i den genetiska koden. När cellen reparerade strängen blev det nya dna:t en mall. Det fungerade, men det var svårt att styra redigeringen.
Men på 1990-talet upptäckte forskarna ”programmerbara nukleaser”. Dessa är molekyler som består av två delar: en som fäster vid vissa dna-sekvenser och en som skär genom strängarna. Forskare kan designa dna-sekvenser som matchar bestämda delar av genomet och på så vis styra gensaxen till specifika delar av genen. De första programmerbara nukleaserna var zinkfingernukleaser, vridna proteiner som kan känna igen tre baspar av dna. Dna-saxar kan användas för att förkorta bassekvenserna, men de är inte alltid exakta. De har så kallade off-target-effekter som innebär att saxen ibland av misstag används på mer än en dna-sekvens.
Nästa steg var så kallade ”transcription activator-like effector nucleases” (TALEN).
Dessa innehåller TAL-effektorer, proteiner som utsöndras av bakterier som känner igen dna. Genom att gensaxen TALEN läser av en bas i sänder blir den mer exakt än zinkfingernukleastekniken. Den nyaste och mest spännande programmerbara nukleasen är Crispr, en metod som möjliggör en helt ny precisionsnivå.
”I början av 2000-talet genomgick 13 barn genterapi för att reparera en missbildad gen som hindrade deras immunförsvar från att fungera.”
Tack vare dessa verktyg förekommer genetisk ingenjörskonst nu överallt inom biomedicinsk forskning. Forskare använder dem för att aktivera och stänga av gener och studera deras effekt. De förändrar arvsmassan i celler och hos djur, och de manipulerar genetisk information för att titta efter förändringar som kan orsaka sjukdom. De för in mänskliga gener i djurs arvsmassa för att se vad som händer, de kapar bakterier för att skapa enorma mängder proteiner och de överför gener från ett djur till ett annat. Gener från självlysande manetproteiner används till exempel till att få andra djur att lysa. Genredigeringen har också letat sig in i vår vardag. Den har gett oss insulin till att behandla diabetes, vitamin A-berikat gyllene ris och sojabönor som är resistenta mot växtskyddsmedel. Nu börjar den också ta större plats inom medicinen.
I början av 2000-talet genomgick 13 barn genterapi för att reparera en missbildad gen som hindrade deras immunförsvar från att fungera. Tekniken botade nio av barnen, men den var inte perfekt. Två av dem fick leukemi. Den reparerade genen hade lagt sig på fel plats i genomet och störde därmed en cancerförebyggande gen.