Před pár lety jsme s kolegyní Emmanuelle Charpentiere objevily novou technologii editace genomů. Jmenuje se CRISPR-Cas9. Dovoluje vědcům měnit DNA v buňkách, a tím léčit genetické choroby.
A few years ago, with my colleague, Emmanuelle Charpentier, I invented a new technology for editing genomes. It's called CRISPR-Cas9. The CRISPR technology allows scientists to make changes to the DNA in cells that could allow us to cure genetic disease.
K objevu došlo, když jsme v rámci základního výzkumu zkoumaly, jak se bakterie brání virové nákaze. Bakterie mohou být napadeny viry. Virová nákaza je pro ně jako časovaná bomba. Bakterie má jen několik minut, aby bombu zneškodnila. Jinak sama zahyne. Mnoho bakterií má proto v buňkách imunitní systém zvaný CRISPR. Ten detekuje a ničí virální DNA.
You might be interested to know that the CRISPR technology came about through a basic research project that was aimed at discovering how bacteria fight viral infections. Bacteria have to deal with viruses in their environment, and we can think about a viral infection like a ticking time bomb -- a bacterium has only a few minutes to defuse the bomb before it gets destroyed. So, many bacteria have in their cells an adaptive immune system called CRISPR, that allows them to detect viral DNA and destroy it.
Částí systému CRISPR je bílkovina Cas9. Ta dokáže najít, odříznout a nakonec rozložit virální DNA. Během výzkumu bílkoviny Cas9 jsme pochopili, že můžeme její schopnosti využít v rámci genetického inženýrství. Vědci s ní mohou neuvěřitelně přesně z buněk odstraňovat či do nich vkládat úseky DNA. To nám umožňuje dělat věci, které dříve nebyly možné.
Part of the CRISPR system is a protein called Cas9, that's able to seek out, cut and eventually degrade viral DNA in a specific way. And it was through our research to understand the activity of this protein, Cas9, that we realized that we could harness its function as a genetic engineering technology -- a way for scientists to delete or insert specific bits of DNA into cells with incredible precision -- that would offer opportunities to do things that really haven't been possible in the past.
Technologie CRISPR už byla použita ke změně DNA v buňkách myší, opic a dalších organismů. Čínští vědci nedávno prokázali, že takto mohou měnit geny lidských embryí. Vědci ve Filadelfii demonstrovali, že s pomocí CRISPRu mohou odstranit DNA viru HIV z nakažených lidských buněk.
The CRISPR technology has already been used to change the DNA in the cells of mice and monkeys, other organisms as well. Chinese scientists showed recently that they could even use the CRISPR technology to change genes in human embryos. And scientists in Philadelphia showed they could use CRISPR to remove the DNA of an integrated HIV virus from infected human cells.
Možnost takové editace genomu ovšem vybízí k etickým úvahám. Tuto technologii lze aplikovat nejen na buňky dospělých, ale i na embrya různých organismů, včetně nás. A tak jsme s kolegy svolali na téma této technologie celosvětovou diskuzi, kde zvážíme její etické a společenské dopady.
The opportunity to do this kind of genome editing also raises various ethical issues that we have to consider, because this technology can be employed not only in adult cells, but also in the embryos of organisms, including our own species. And so, together with my colleagues, I've called for a global conversation about the technology that I co-invented, so that we can consider all of the ethical and societal implications of a technology like this.
Dnes vám chci povědět, co to technologie CRISPR je, co dokáže, jak jsme s ní daleko a proč si myslím, že bychom ji měli rozvíjet dál, ale být opatrní.
What I want to do now is tell you what the CRISPR technology is, what it can do, where we are today and why I think we need to take a prudent path forward in the way that we employ this technology.
Když virus napadne buňku, vstříkne do ní svou DNA. Systém CRISPR u bakterií umožňuje, aby byla DNA viru nasáta a uložena po malých částech do chromozomu, tedy do DNA bakterie. Část chromozomu, do níž se virální DNA vkládá a integruje, se nazývá CRISPR. CRISPR znamená "soustředěná, pravidelně oddělená krátká palindromická opakování". Dost krkolomné.
When viruses infect a cell, they inject their DNA. And in a bacterium, the CRISPR system allows that DNA to be plucked out of the virus, and inserted in little bits into the chromosome -- the DNA of the bacterium. And these integrated bits of viral DNA get inserted at a site called CRISPR. CRISPR stands for clustered regularly interspaced short palindromic repeats. (Laughter)
Proto používáme zkratku CRISPR. CRISPR je jako zápisník, kde si buňky evidují, jakým virům byly vystavené. A hlavně tento zápisník předávají v DNA svým potomkům. Buňky tak zůstávají před viry chráněny po mnoho generací. Jako by si vedly záznamy o prodělaných nemocech. Můj kolega Blake Wiedenheft rád říká, že CRISPR je vlastně očkovací průkaz buňky. Jakmile jsou do chromozomu bakterie vloženy úseky virální DNA, vytvoří buňka jejich malou kopii v podobě molekuly RNA. Ta je ta oranžová. Je to přesný duplikát virální DNA. RNA je chemicky blízká DNA. Umožňuje interakci s molekulami DNA, ve kterých je shodná sekvence.
A big mouthful -- you can see why we use the acronym CRISPR. It's a mechanism that allows cells to record, over time, the viruses they have been exposed to. And importantly, those bits of DNA are passed on to the cells' progeny, so cells are protected from viruses not only in one generation, but over many generations of cells. This allows the cells to keep a record of infection, and as my colleague, Blake Wiedenheft, likes to say, the CRISPR locus is effectively a genetic vaccination card in cells. Once those bits of DNA have been inserted into the bacterial chromosome, the cell then makes a little copy of a molecule called RNA, which is orange in this picture, that is an exact replicate of the viral DNA. RNA is a chemical cousin of DNA, and it allows interaction with DNA molecules that have a matching sequence.
Drobné úseky RNA z lokusu CRISPR se navážou na bílkovinu Cas9. To je ta bílá. Vzniklý celek funguje v buňce jako ochranka. Hledá v buněčné DNA úsek, který odpovídá sekvenci v navázané RNA. Když ho najde, spojí se ten celek s DNA (která je na obrázku modře), a umožní skalpelu Cas9 odříznout virální DNA. Řez je velmi přesný. Ochranný celek Cas9 s RNA lze chápat jako nůžky, které odštípnou DNA. Přeruší obě vlákna šroubovice DNA. Hlavně se však tento celek dá programovat, aby rozpoznal konkrétní sekvenci DNA a v daném místě DNA přestřihl.
So those little bits of RNA from the CRISPR locus associate -- they bind -- to protein called Cas9, which is white in the picture, and form a complex that functions like a sentinel in the cell. It searches through all of the DNA in the cell, to find sites that match the sequences in the bound RNAs. And when those sites are found -- as you can see here, the blue molecule is DNA -- this complex associates with that DNA and allows the Cas9 cleaver to cut up the viral DNA. It makes a very precise break. So we can think of the Cas9 RNA sentinel complex like a pair of scissors that can cut DNA -- it makes a double-stranded break in the DNA helix. And importantly, this complex is programmable, so it can be programmed to recognize particular DNA sequences, and make a break in the DNA at that site.
A tak jsme si uvědomili, že lze daný mechanismus uplatnit v genovém inženýrství. V místě řezu totiž můžeme velmi přesně zasahovat do buněčné DNA. Je to jako automatická oprava překlepů ve wordovském dokumentu.
As I'm going to tell you now, we recognized that that activity could be harnessed for genome engineering, to allow cells to make a very precise change to the DNA at the site where this break was introduced. That's sort of analogous to the way that we use a word-processing program to fix a typo in a document.
Využití CRISPRu v genovém inženýrství je možné díky tomu, že buňky umí detekovat a opravovat poškozenou DNA. Když rostlinná či živočišná buňka detekuje přerušené dvojvlákno DNA, opraví ho. Buď tak, že k sobě naváže přerušené části DNA, přičemž na místě spoje dojde k malé změně sekvence, nebo mezeru zaplní novým kouskem DNA o odpovídající délce. Pokud tedy dokážeme dvojvlákno DNA přerušit na přesných místech, jsou buňky nuceny přerušení opravit, čímž daný úsek buď rozruší, nebo nahradí novou genetickou informací. Kdybychom technologii CRISPRu dokázali naprogramovat, aby přerušila DNA například v místě mutace způsobující cystickou fibrózu, přinutili bychom buňky danou mutaci opravit.
The reason we envisioned using the CRISPR system for genome engineering is because cells have the ability to detect broken DNA and repair it. So when a plant or an animal cell detects a double-stranded break in its DNA, it can fix that break, either by pasting together the ends of the broken DNA with a little, tiny change in the sequence of that position, or it can repair the break by integrating a new piece of DNA at the site of the cut. So if we have a way to introduce double-stranded breaks into DNA at precise places, we can trigger cells to repair those breaks, by either the disruption or incorporation of new genetic information. So if we were able to program the CRISPR technology to make a break in DNA at the position at or near a mutation causing cystic fibrosis, for example, we could trigger cells to repair that mutation.
Genové inženýrství se rozvíjí už od 70. let. Měli jsme technologie k sekvenování DNA, ke kopírování DNA i k manipulaci s DNA. Byly to slibné technologie, ale byly buď neefektivní, nebo příliš náročné. Většina vědců je proto v laboratorních výzkumech neužívala a nenašly širší klinické uplatnění. Proto nás láká možnost osvojit si a využívat technologii CRISPR. Je totiž poměrně jednoduchá. Starší metody genetického inženýrství jsou jako počítač, který musíte přestavět kdykoli na něm chcete spustit nový software. Technologie CRISPR je naopak jako genový software. Můžeme ji snadno programovat s použitím kousků RNA.
Genome engineering is actually not new, it's been in development since the 1970s. We've had technologies for sequencing DNA, for copying DNA, and even for manipulating DNA. And these technologies were very promising, but the problem was that they were either inefficient, or they were difficult enough to use that most scientists had not adopted them for use in their own laboratories, or certainly for many clinical applications. So, the opportunity to take a technology like CRISPR and utilize it has appeal, because of its relative simplicity. We can think of older genome engineering technologies as similar to having to rewire your computer each time you want to run a new piece of software, whereas the CRISPR technology is like software for the genome, we can program it easily, using these little bits of RNA.
Jakmile je dvojvlákno DNA přerušeno, můžeme vyvolat opravu, a tím potenciálně dokázat ohromné věci. Například opravit mutace způsobující srpkovou anémii anebo Huntingtonovu chorobu. Osobně si myslím, že technologii CRISPR využijeme nejprve v krvi, protože do ní lze tento nástroj vpravit snáze než do pevné tkáně.
So once a double-stranded break is made in DNA, we can induce repair, and thereby potentially achieve astounding things, like being able to correct mutations that cause sickle cell anemia or cause Huntington's Disease. I actually think that the first applications of the CRISPR technology are going to happen in the blood, where it's relatively easier to deliver this tool into cells, compared to solid tissues.
Momentálně se léčba lidských chorob zkouší na modelových zvířatech, jako jsou myši. Zkoumáme, jak přesné změny v buněčné DNA ovlivňují tkáň, popřípadě celý organismus.
Right now, a lot of the work that's going on applies to animal models of human disease, such as mice. The technology is being used to make very precise changes that allow us to study the way that these changes in the cell's DNA affect either a tissue or, in this case, an entire organism.
V tomto případě jsme s pomocí technologie CRISPR drobně pozměnili DNA v genu, díky kterému jsou tyto myši černé. Bílé myši se od svých černých sourozenců liší jedinou malou změnou v jediném genu. Jinak jsou úplně normální. Sekvenace jejich DNA odhalí, že ke změně v DNA došlo přesně na místě, kde jsme ji vyvolali s pomocí technologie CRISPR.
Now in this example, the CRISPR technology was used to disrupt a gene by making a tiny change in the DNA in a gene that is responsible for the black coat color of these mice. Imagine that these white mice differ from their pigmented litter-mates by just a tiny change at one gene in the entire genome, and they're otherwise completely normal. And when we sequence the DNA from these animals, we find that the change in the DNA has occurred at exactly the place where we induced it, using the CRISPR technology.
Experimenty probíhají i na jiných zvířatech, které jsou vhodnými modely pro lidské choroby, například na opicích. S pomocí daných postupů můžeme testovat technologii CRISPR na konkrétních tkáních, abychom například zjistili, jak lze CRISPR vpravit do buněk. Chceme také lépe kontrolovat proces opravy DNA po jejím přerušení a kontrolovat či eliminovat potenciální nepřesnosti či nezamýšlené účinky této technologie.
Additional experiments are going on in other animals that are useful for creating models for human disease, such as monkeys. And here we find that we can use these systems to test the application of this technology in particular tissues, for example, figuring out how to deliver the CRISPR tool into cells. We also want to understand better how to control the way that DNA is repaired after it's cut, and also to figure out how to control and limit any kind of off-target, or unintended effects of using the technology.
Klinického užití této technologie na dospělých se určitě dočkáme do deseti let. Během té doby nejspíš dojde ke klinickým testům a snad i k vylepšení léčebných metod. To je vzrušující pomyšlení. A díky tomu vzniká mnoho společností, které chtějí technologii CRISPR využít komerčně. A řada venture investorů do nich investuje.
I think that we will see clinical application of this technology, certainly in adults, within the next 10 years. I think that it's likely that we will see clinical trials and possibly even approved therapies within that time, which is a very exciting thing to think about. And because of the excitement around this technology, there's a lot of interest in start-up companies that have been founded to commercialize the CRISPR technology, and lots of venture capitalists that have been investing in these companies.
Jenže technologie CRISPR může sloužit i ke genetickému vylepšování. Můžeme s ní zkusit vytvořit člověka, který by měl například pevnější kosti nebo byl méně náchylný ke kardiovaskulárním chorobám či měl prostě vlastnosti, které by se nám líbily, například by byl vyšší nebo měl určitou barvu očí. Zkrátka "člověka na přání". Zatím ještě většinou nevíme, které typy genů mohou dát takovým rysům vzniknout. Ale uvědomme si, že technologie CRISPR nám dává možnost takové změny provést, jakmile potřebné znalosti získáme.
But we have to also consider that the CRISPR technology can be used for things like enhancement. Imagine that we could try to engineer humans that have enhanced properties, such as stronger bones, or less susceptibility to cardiovascular disease or even to have properties that we would consider maybe to be desirable, like a different eye color or to be taller, things like that. "Designer humans," if you will. Right now, the genetic information to understand what types of genes would give rise to these traits is mostly not known. But it's important to know that the CRISPR technology gives us a tool to make such changes, once that knowledge becomes available.
Musíme se proto zamyslet nad řadou etických otázek. Proto jsme s kolegy vyzvali k úplnému pozastavení klinického využívání
This raises a number of ethical questions that we have to carefully consider, and this is why I and my colleagues have called for a global pause
technologie CRISPR na lidských embryích. Potřebujeme čas, abychom se zamysleli nad všemi dopady toho, co děláme. K tomuto pozastavení máme důležitý precedent ze 70. let, kdy vědci vyhlásili moratorium na molekulární klonování, dokud nebude pečlivě ověřena a testována jeho bezpečnost.
in any clinical application of the CRISPR technology in human embryos, to give us time to really consider all of the various implications of doing so. And actually, there is an important precedent for such a pause from the 1970s, when scientists got together to call for a moratorium on the use of molecular cloning, until the safety of that technology could be tested carefully and validated.
Geneticky upravení lidé tu s námi ještě nejsou, ale už to není sci-fi. Genetická úprava zvířat a rostlin už je tady. Klade to na nás ohromnou zodpovědnost. Musíme zvážit nejen zamýšlené důsledky, ale i nezamýšlené dopady vědeckého pokroku.
So, genome-engineered humans are not with us yet, but this is no longer science fiction. Genome-engineered animals and plants are happening right now. And this puts in front of all of us a huge responsibility, to consider carefully both the unintended consequences as well as the intended impacts of a scientific breakthrough.
Děkuji.
Thank you.
(Potlesk.)
(Applause)
(Potlesk utichá.)
(Applause ends)
Bruno Giussani: Jennifer, tahle technologie má ohromný dopad. To, že žádáš o pozastavení, o moratorium, je nesmírně zodpovědné. Tuhle technologii lze využít k léčbě, ale i k jiným účelům, a právě ty přitahují mediální pozornost. V časopise Economist vyšel článek "Editované lidství". Je celý o genetickém vylepšování, nikoli o využití k léčbě. Jak tvoji vědečtí kolegové v březnu reagovali, když jsi jim navrhla pozastavit se a zamyslet se?
Bruno Giussani: Jennifer, this is a technology with huge consequences, as you pointed out. Your attitude about asking for a pause or a moratorium or a quarantine is incredibly responsible. There are, of course, the therapeutic results of this, but then there are the un-therapeutic ones and they seem to be the ones gaining traction, particularly in the media. This is one of the latest issues of The Economist -- "Editing humanity." It's all about genetic enhancement, it's not about therapeutics. What kind of reactions did you get back in March from your colleagues in the science world, when you asked or suggested that we should actually pause this for a moment and think about it?
Jennifer Doudna: Myslím, že kolegy potěšila možnost otevřené diskuze. Mluvím o tom s lidmi, nejen s vědeckými kolegy, a existuje široké spektrum názorů. O tématu je tedy určitě třeba pečlivě přemítat a debatovat.
Jennifer Doudna: My colleagues were actually, I think, delighted to have the opportunity to discuss this openly. It's interesting that as I talk to people, my scientific colleagues as well as others, there's a wide variety of viewpoints about this. So clearly it's a topic that needs careful consideration and discussion.
BG: Na prosinec jsi s kolegy z Národní akademie věd i odjinud zorganizovala velké setkání. Co konkrétně si od něho slibuješ?
BG: There's a big meeting happening in December that you and your colleagues are calling, together with the National Academy of Sciences and others, what do you hope will come out of the meeting, practically?
JD: To, že zazní názory řady různých jednotlivců a zainteresovaných osob, které chtějí tuto technologii využívat zodpovědně. Dosáhnout shodného pohledu je asi nemožné, ale měli bychom aspoň pochopit, jaké nás odteď čekají problémy.
JD: Well, I hope that we can air the views of many different individuals and stakeholders who want to think about how to use this technology responsibly. It may not be possible to come up with a consensus point of view, but I think we should at least understand what all the issues are as we go forward.
BG: Tvoji kolegové jako George Church z Harvardu, říkají: "Etika je v podstatě otázka bezpečnosti. Stačí jen dostatečně dlouho testovat, a pak můžeme přejít i na člověka." Část odborníků si tedy myslí, že bychom se do toho měli naplno opřít. Může se vědecká komunita kvůli tomu rozdělit? Že by se část vědců z etických důvodů držela zpátky, ale v zemích, kde by nebyla regulace, by se pokračovalo?
BG: Now, colleagues of yours, like George Church, for example, at Harvard, they say, "Yeah, ethical issues basically are just a question of safety. We test and test and test again, in animals and in labs, and then once we feel it's safe enough, we move on to humans." So that's kind of the other school of thought, that we should actually use this opportunity and really go for it. Is there a possible split happening in the science community about this? I mean, are we going to see some people holding back because they have ethical concerns, and some others just going forward because some countries under-regulate or don't regulate at all?
JD: Každá nová technologie, a zvlášť taková jako tahle, přináší řadu různých pohledů. To je úplně pochopitelné. Podle mě nakonec ke genetickým úpravám lidí s touto technologií dojde. Ale bylo by nezodpovědné dělat to bez úvah a debat o případných rizicích a komplikacích.
JD: Well, I think with any new technology, especially something like this, there are going to be a variety of viewpoints, and I think that's perfectly understandable. I think that in the end, this technology will be used for human genome engineering, but I think to do that without careful consideration and discussion of the risks and potential complications would not be responsible.
BG: Podobně překotně se rozvíjejí i jiné technologie a vědní obory. Umělá inteligence, samostatní roboti a podobně. Kromě tematiky válečných robotů ale k podobným debatám nedochází. Nikdo nenavrhuje žádná moratoria. Může vaše debata inspirovat další obory?
BG: There are a lot of technologies and other fields of science that are developing exponentially, pretty much like yours. I'm thinking about artificial intelligence, autonomous robots and so on. No one seems -- aside from autonomous warfare robots -- nobody seems to have launched a similar discussion in those fields, in calling for a moratorium. Do you think that your discussion may serve as a blueprint for other fields?
JD: Pro vědce není jednoduché vylézt z laboratoře. Pro mě osobně to není zrovna příjemné. Ale to, že jsem stála u zrodu téhle technologie, mě činí spolu s mými kolegy zodpovědnou. A doufám, že i u ostatních technologií dojde k zamyšlení, tak jako se my zamýšlíme nad dopady mimo biologii.
JD: Well, I think it's hard for scientists to get out of the laboratory. Speaking for myself, it's a little bit uncomfortable to do that. But I do think that being involved in the genesis of this really puts me and my colleagues in a position of responsibility. And I would say that I certainly hope that other technologies will be considered in the same way, just as we would want to consider something that could have implications in other fields besides biology.
BG: Díky za účast na TEDu.
BG: Jennifer, thanks for coming to TED.
JD: Děkuju.
JD: Thank you.
(Potlesk.)
(Applause)