פרס נובל לכימיה 2020 - לשתי חוקרות שפיתחו טכנולוגיית עריכה גנומית המבוססת על קריספר.

 

ב-7 באוקטובר 2020, הוכרזו בשטוקהולם, בירת שוודיה, שמות הזוכות בפרס הנובל בכימיה לשנת 2020. 

לשתי הזוכות, עמנואל שרפנטייה (Charpentier), ממכון מקס פלנק בברלין, וג'ניפר דודנה (Doudna) מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, הוענק הפרס על פיתוח שיטה נגישה לעריכה גנומית ("מספריים מולקולריים"), המבוססת על מערכת קריספר (CRISPER/CAS9) של חיידקים וארכאונים. הטכנולוגיה החדשה כבר מיושמת לטיפולים עתידיים נגד גידולים סרטניים ומחלות תורשתיות, וביצירת צמחים העמידים למזיקים שונים.

ג'ניפר דודנה (Doudna) ועמנואל שרפנטייה (Charpentier)
איור: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

לפני כעשור, חקרה הביוכימאית עמנואל שרפנטייה  את החיידק הפתוגני  Streptococcus pyogenes (הגורם לטווח רחב של מחלות, חלקן קטלניות,  החל ממחלות עור, ועד לדלקת גרון, דלקת קרום המוח ואף מקרים חמורים מסכני חיים של "חיידק טורף"). שרפנטייה גילתה מולקולת RNA לא מוכרת, המכונה כיום tracrRNA. היא מצאה שמולקולה זו מהווה חלק מ"מערכת חיסון" חיידקית, המכונה היום קריספר -  CRISPR, ראשי תיבות של Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. ובתרגום חופשי: מקבצים של רצפים פלינדרומיים קצרים החוזרים במרווחים פנימיים. 

המערכת עצמה התגלתה כבר בשנות ה-80 וה-90 של המאה הקודמת במינים של חיידקים (1987) וארכאונים (1993), והיא כוללת רצפים חוזרים קצרים שתפקידם לא היה ידוע. בהשוואת רצפים אלה למאגרי הרצפים הידועים גילתה שמדובר בעצם בקטעי DNA של נגיפים התוקפים חיידקים וארכאונים  - בקטריופאגים, שנצברו במהלך ההיסטוריה האבולוציונית של אותם יצורונים,  בהמשך התברר, שתפקיד המערכת הוא למנוע מהנגיפים, שהרצפים האלה נמצאים בהם, להתרבות במאכסן, לשכפל את צאצאיהם, ולהרוג אותו. מערכת זו מזהה את החומר התורשתי של הנגיף, מבקעת אותו, ומונעת את התבטאותו בתא המותקף. המערכת הזו דינמית ומתפתחת עם הזמן. בניסוי שביצע פיליפ הורבאת' (Horvath), הוא הראה שהמערכת "זוכרת" - לאחר שהחיידק שורד (אם הוא שורד - ולא כולם שורדים) את ההתקפה הנגיפית, משתבצים בתוך מערכת הקריספר שלו קטעי DNA של הנגיף, ובהדבקה הבאה על-ידי אותו נגיף, או נגיף הדומה לו, המערכת תשמיד אותו מיידית. 

מערכת הקריספר לא פועלת לבד, צמודים אליה, מספר גנים שלהם תפקיד בביטוי המערכת, והם מכונים CAS, ראשי תיבות של CRISPR ASsociated, העיקרי שבהם הוא האנזים Cas9 - שלו פעילות של אנדונוקלאז. 

בהמשך, פוענח מנגנון הפעולה של המערכת, תעתיקי RNA של מקטעי הקריספר נחתכים ונצמדים ל-Cas9. אם תמצא התאמה בין רצף ה-RNA לרצף DNA מתאים, Cas9 יחתוך את ה-DNA הנגיפי. ולכן המערכת הכוללת מכונה CRISPR/CAS9. 

כאן נראית האנלוגיה למערכת הזיכרון החיסונית:  בהדבקה הראשונה בנגיף, המערכת כלל לא מעורבת ומנגנונים חיידקיים אחרים (למשל אנזימי הרסטריקציה) מתמודדים (או שלא) עם הנגיף, במידה והחיידק שורד, רצפי DNA של הנגיף משתבצים בקריספר - והמערכת מוכנה להדבקה השנייה. 

המולקולה tracrRNA, שגילתה שרפנטייה ב-S. pyogenes, מעורבת בתהליכי ההבשלה של תעתיקי ה-RNA במערכת הקריספר. 

לאחר פרסום התגלית של שרפנטייה ב-2011,  היא החלה לשתף פעולה עם ג'ניפר דודנה, ביוכימאית מקליפורניה שהתמחתה בחקר של מולקולות RNA.  ביחד הם הצליחו לשחזר ולפשט את פעילות המערכת במבחנה, ובכך להפוך אותה לטכנולוגיה יעילה לעריכת כל DNA, לא רק של חיידקים וארכאונים. אלא גם של יצורים איקריוטיים (צמחים ובעלי חיים), המאמר של שתיהן התפרסם ב-2012,  ומאז מיושמת הטכנולוגיה  במעבדות רבות בעולם לעריכה גנטית של יצורים שונים, גם בבני אדם. 

שרפנטיה ייסדה שתי חברות, "CRISPR Therapeutics" ו-"ERS Genomics"  המשתמשות בטכנולוגיה שפותחה לתוצרים ביוטכנולוגיים וביורפואיים.

חוקרים רבים נוספים חוקרים את המערכת. בולטים ביניהם פנג זנג (Zhang) ממכון ברוד וג'ורג' צ'רץ (Church) מאוניברסיטת הרווארד. יש גם הרבה מאבקים משפטיים בין החוקרים והמוסדות שהם מייצגים על פטנטים הקשורים לטכנולוגיה הזו, שעדיין לא הסתיימו. 

עוד ידובר רבות על הטכנולוגיה הזו. 

לקריאה נוספת 

באתר פרס נובל 

מלחמות הקריספר - גל חיימוביץ' - מכון דוידסון

גירסה מקוצרת במקצת של רשומה זו פורסמה במקביל באתר הפייסבוק "מדעי הטבע והחיים באוניברסיטה הפתוחה".