Новый способ молекулярной диагностики оказался в миллион раз чувствительнее обычных методов.

Метод редактирования генома под названием CRISPR (или CRISPR/Cas) сейчас у всех на слуху. Его в прямом смысле слова позаимствовали у бактерий: в своем природном виде механизм CRISPR/Cas служит для разрушения вирусного генома в бактериальной клетке.

Схема белка Cas13a, используемого в диагностической системе SHERLOCK. (Иллюстрация: Broad Institute.)

Джеймс Коллинз (James Collins) и Фэн Чжан (Feng Zhang), под руководством которых удалось создать сверхчувствительную систему SHERLOCK. (Фото: MIT.)

CRISPR/Cas представляет собой довольно сложный молекулярный аппарат, в котором CRISPR – последовательности в бактериальной ДНК, хранящие противовирусные инструкции, а Cas – белки, который по этой инструкции охотятся за вирусной нуклеиновой кислотой и уничтожают ее. В какой-то момент биологи заметили, что с помощью такой системы можно довольно точно вносить исправления в любой геном любой клетки. Бактериальную CRISPR/Cas модифицировали для новых целей и стали активно использовать в биотехнологических экспериментах, попутно ее совершенствуя; и многие наверняка помнят нашумевшую работу китайских исследователей, которые с помощью CRISPR/Cas подправили геном человеческому эмбриону.

В перспективе CRISPR/Cas позволит нам избавляться от негативных мутаций, и, если все получится, мы забудем о наследственных заболеваниях, о канцерогенных мутациях и о многом другом. Однако, увлекшись редактирующими возможностями CRISPR/Cas, все забыли о ее первоначальной функции – искать вирусную инфекцию. И вот сейчас в Science исследователи из Института Броудов, Массачусетского технологического института и ряда других научных центров выпустили статью, в которой описывают быстрый, недорогой и чрезвычайно эффективный способ диагностики вирусных и других инфекций с помощью системы CRISPR/Cas. (Стоит отметить, что в соавторах статьи есть и Евгений Кунин, который был одним из ее первооткрывателей и который сейчас работает в Национальных институтах здоровья США.)

По сути, с редактирующей CRISPR/Cas ее новая, диагностическая версия довольно схожа: и там, и там все сводится к тому, чтобы белок, держа при себе некий шаблон-инструкцию в виде нуклеиновой кислоты (и там, и там в качестве шаблона используется РНК), искал такую же последовательность в других нуклеиновых кислотах, и, обнаружив сходство, проделывал бы с нуклеиновой кислотой хозяина некую «хирургическую» операцию. Отличия же в том, что та система, которая сконструирована для редактирования генома, ищет совпадения в клеточной ДНК, и далее точечно вырезает из нее крохотный кусочек с мутацией.

Диагностическая же CRISPR/Cas ищет РНК вирусного или бактериального происхождения, и, кроме того, фермент Cas, который тут используется – это совершенно особый белок под названием Cas13a. Характерная особенность Cas13a в том, что, найдя мишень и «надкусив» ее, он далее начинает разрушать абсолютно любые РНК, что встречаются у него на пути. В организм такую систему не запустишь, но зато ее можно использовать для диагностики.

Например, мы подозреваем, что пациент заразился каким-то вирусом. В образец для анализа, взятый у пациента, мы вносим фермент Cas13a, который запрограммирован искать РНК нашего вируса; но, кроме Cas13a, мы еще вносим постороннюю РНК, к которой пришита светящаяся метка. Метка начинает светиться только тогда, когда молекула РНК, к которой она привязана, разрушается. Тогда, если в образце есть вирус, фермент его найдет, расщепит, и после этого, как мы только что сказали, набросится вообще на любые РНК, которые найдет – и тогда наша аналитическая смесь начнет светиться. Систему назвали SHERLOCK – specific high sensitivity enzymatic reporter unlocking.

То же самое можно сделать и в отношении бактериальной РНК, и даже в отношении ДНК, так что с помощью SHERLOCK’а можно узнать, есть ли в ДНК раковые мутации, или же определить, какая бактерия поселилась в организме и как у нее обстоят дела с устойчивостью к антибиотикам. Словом, медицинских приложений тут может быть очень много.

Что до чувствительности, то SHERLOCK в миллион раз чувствительнее обычных иммунологических тестов ELISA, в которых болезнь, будь то инфекция или рак, ищут по характерным белкам. Иными словами, этот метод позволяет заметить опасность тогда, когда другие методы не увидят ничего.

SHERLOCK не требует долгих и сложных манипуляций (весь анализ можно провести на кусочке стекловолокнистой бумаги, которая удерживает на себе нуклеиновые кислоты), и, наконец, один тест стоит всего 61 цент. Можно предположить, что на медицинский рынок система SHERLOCK выйдет исключительно быстро.