Geny ebook

Dla moich rodziców,

którzy dali mi tak wiele i pokazali,

co tak naprawdę znaczy opieka nad innymi

Przedmowa

Nie jestem pewien, jak zaczęła się moja fascynacja genomem, ale wiem, dlaczego się tym nie znudziłem: odkrywanie genomu, naszego „kodu życia” jest porywające. Dzień po dniu staramy się przełamać szyfr, który jest jednocześnie istotą naszego człowieczeństwai ostatecznym celemw naszej misji odnalezienia wskazówek do tego, jak pomóc rodzinom dotkniętym najtrudniejszymi chorobami genetycznymi. Życie nie mogłoby być bardziej satysfakcjonujące.

Nie potrafiłem sobie tego wszystkiego nawet wyobrazić, dorastającw latach 70.w zachodniej Szkocji. Były to czasy,w których rozpracowano genom pierwszego, mikroskopijnego organizmu. Od tamtej pory wiemy, że nasz genom jest kodem łączącym ludziz każdym żywym organizmem na Ziemi; kodem zawierającym historię rasy ludzkiej; kodem wyrytymw historii naszych własnych rodzin, ciągnącej się setki lub nawet tysiące lat wstecz. Jest to zapis unikalny dla każdego człowieka: nikt współcześnie żyjącyi nikt, kto kiedykolwiek się urodził, nie ma identycznego zestawu informacji (nawet wasz bliźniak!). Nasz kod zawiera informacjęo wszystkim, począwszy od wzrostu, wagi, koloru włosówi oczu, aż po predyspozycję do niektórych spośród tysięcy znanych nam chorób. Nasz kod może również przewidzieć naszą przyszłość: jak będziemy żyći jak możemy umrzeć.

Wszystko to zapisane jest za pomocą cząsteczki znanej jako kwas dezoksyrybonukleinowy, DNA, która stała się tak nieodłączną częścią naszego leksykonu, że ze związku chemicznego stała się metaforą. Mówimy, że dany rys charakterystyczny firmy lub instytucji „jestw ich DNA”, chociaż przecież nie są to istoty żywe. Chodzi namo to, że dana cecha jest wrośnięta tak głęboko, związana tak mocnoi tak nieodwracalnie, że staje się częścią struktury danej organizacji. Kiedy mówimy, że pewne cechy innego człowieka wydają się być „częścią jego DNA”, wyrażamyw ten sposób poczucie, że owa charakterystyka jest naturalna, głęboko zakorzeniona, nieodstępna.

Sparowanew dwie nici, zwiniętew prawoskrętną podwójną helisę, DNA składa sięz zaledwie czterech prostych części składowych, zaaranżowanychw odpowiednie wzory na całej długości nici. Owe „nukleotydy” są alfabetem życia: A, T, Gi C – cztery litery tworzące unikalny kod, zamkniętyw „sejfie” niemal każdej komórki naszego ciała. Ludzki genom składa sięz 3 miliardów par tych liter (inaczej par zasad) – 6 miliardów punktowych danych wyjściowych, dwa metry cząsteczki upakowanew 23 parach chromosomów, które, gdyby je rozwinąći ułożyćw jednej liniiz pozostałymi nićmi DNAz 30 trylionów komórekw naszym ciele, można by przeciągnąć między Ziemiąi Księżycem kilka tysięcy razy. Jest to dosłowne wcielenie istoty naszego człowieczeństwa.

Przetłumaczenie (zsekwencjonowanie) pierwszego genomu ludzkiego – Projekt Poznania Ludzkiego Genomu – zajęło 10 lati było międzynarodowym wielomiliardowym wysiłkiem odszyfrowania sekwencji mieszaniny DNA pochodzącej od 10 ludzi (ostatecznie okazało się, że była to bardziej połowa genomu pochodząca od dwóch osób, aleo tym później).I chociaż ten pierwszy wysiłek kosztował miliardy,w tej chwili – niecałe 20 lat później – sekwencjonowanie ludzkiego genomu kosztuje mniej niż tani rower, którym codziennie dojeżdżam do pracy. Ta niesamowita redukcja kosztów wywołała prawdziwe tsunami odkryć naukowychi otworzyła przed medycyną bezprecedensową sposobność zmiany ludzkiego życia na lepsze. Mamy oto narzędzie do przedefiniowania chorób, do rozwiązywania zagadek medycznych, niosące nadzieję rodzinom, które ucierpiałyz powodu straty bliskichi chroniące tych, którzy nadal żyją. Ten molekularny mikroskop pozwolił nam zrozumieć choroby na dużo głębszym poziomiei zapoczątkować personalizację leczenia medycznego.

Dramatyczne postępy,o których przeczytaciew tej książce – postępy, które przeprowadziły nas od teoretycznego rozumienia, czym jest DNA, do odczytania pierwszego ludzkiego genomui zmian wielu medycznych paradygmatów – miały miejsce dzięki rewolucyjnej poprawie naszej zdolności odczytywania sekwencji DNA, programom komputerowymi współpracy naukowej.

Myślę, że młodszy ja byłby zdziwiony, gdyby dowiedział się, że zamierzam poświęcić życie zrozumieniu ludzkiego genomu, mimo że zawsze wiedziałem, że zostanę lekarzem. Jeszcze zanim skończyłem 10 lat, koledzy ze szkoły prosili mnie, żebym wycierał krewz ich obtartych kolan (mój ojciec był miejscowym lekarzem, więc byłem oczywistym wyborem.Z kolei moja siostra dość wcześnie postanowiła, że zostanie weterynarzem, więc dostawały się jej wszystkie martwe ptaki). Lubiłem to zadanie.W wieku 12 lat nauczyłem się zasad pierwszej pomocyi zostałem dla wszystkich moich rówieśników miejscowym ekspertem od wszelkich spraw ciała. Podtrzymywałem swoje znawstwo, odwiedzając gabinet lekarski mojego taty, oglądając jego przyrządyi bujając się na jego fotelu. Byłem zafascynowany jego torbą lekarską. Była czarna,w kształcie pudełka, sięgała mi do kolani jawiła mi się niczym miniaturowy szpital – jaskinia skarbów, pełna malutkich szufladek,w których spoczywały igły, nici chirurgiczne oraz intrygujące metalowe narzędzia, których przeznaczenia nie potrafiłem sobie wyobrazić. Pamiętam, jak pewnego razu tata założył szwy na czole mojego kolegi, tak po prostu,u nasw kuchni. To było naprawdę super. Czasami zabierał mnie ze sobą na wizyty domowe. Pewnego rokuw Boże Narodzenie poświęcił wiele godzin, załatwiając tlen dla jednegoz jego pacjentów, cierpiącego na chorobę płuc, aby ten nie musiał iść do szpitala. Moja mama była położnąi czasami również mnie ze sobą zabierała. Nauczyłem się od nich obojga poświęcenia, współczuciai tego, że praktykowanie medycyny nie jest zawodem ani zwykłą profesją, lecz stylem życia, powołaniem. Czułem do tej dziedziny niezwykle głęboki pociąg: opiekowanie się ludźmi wydawało mi się czymś, dla czegow ogóle znalazłem się na tej planecie.

Mimo to byłem jednocześnie maniakiem technologicznym. Pamiętam, jakw wieku 10 lat wygrałem 150 dolarówi zostałem zmuszony do typowo szkockiej gospodarności, czyli „zainwestowania” pieniędzyw konto oszczędnościowe zamiast kupić okularyz wmontowanymi wycieraczkami. Kiedy miałem 12 lat, razemz tatą oszaleliśmy na punkcie układania kostki Rubika (mój rekord wynosił zdaje się 30 sekund, ale obawiam się, że nie pamiętam zbytnio szczegółów). Tamtego lata zamiast biegać po dworze, ciesząc się szkocką pogodą, siedziałemw domu, skoncentrowany na pisaniu programu komputerowego, który miał obliczać podatki od pensjiw przychodni mojego taty. Oczywiście następnego roku system podatkowy się zmienił, dzięki czemu odebrałem ważną lekcję o… cóż,o rządziei podatkach. Tak czy owak, księgowość nie była mi pisana (to mój brat jest osobą, której można zaufaćw kwestii pieniędzy), ale wyobrażałem sobie, że zarobię kupę szmalu ze sprzedaży gry komputerowejo wyścigach konnych, którą napisałem na domowym Sinclairze ZX Spectrumw wieku 14 lat. Naciskając naprzemiennie klawisze tak szybko, jak się umiało, można było przyspieszyć bieg konia. Kokosów na tej grze nie zbiłem, ale moi interesujący się komputerami koledzy uważali, że była niesamowita.A przynajmniej tak mówili.

W szkole pociągały mnie nie tylko fizykai matematyka, ale również język angielskii muzyka. Nauczyciel biologii, który pewnego razu poinformował moich rodziców, że jestem bufonem, niechcący obudził we mnie (miałem wtedy 16 lat) zamiłowanie do genetyki, dając mi książkę Richarda Dawkinsa „Samolubny gen” (Ten sam nauczyciel zasugerował również,z minimalną dawką humoru, że narysowany przeze mnie aparat naukowy musiał chyba najpierw upaść na ziemię. No cóż, plastyka nigdy nie była moją mocną stroną). Moim nowym ulubionym zajęciem dla zabicia czasu stało się czytanie książek popularnonaukowych – Dawkinsa, Goulda, Lewontina, Sacksa, Diamonda, Pinkerai oczywiście Darwina. Ową pasję zabrałem ze sobą do szkoły medycznej. Mój los przypieczętowały jednez najwcześniejszych zajęćz fizjologii. Zasiedliśmyw laboratoriumw czteroosobowych grupach przy niskich stołach na niewygodnych drewnianych stołkach, czekając niespokojnie na świeżo wypreparowane, nadal jeszcze bijące serce królika. Dotykaliśmy go, czuliśmy pod palcami jego mokrą miękkość, braliśmy jew dłonie, zdumiewając się spontanicznymi skurczami, wreszcie zawieszaliśmy je na igle wbitejw aortę – naczynie krwionośne wychodzącez serca na samym szczycie. Naszym zadaniem było odżywienie, wspomożeniei utrzymanie serca przy życiu tak długo, jak to możliwe. Wpatrywałem sięw nie godzinami, zafascynowany jego pięknem: widziałem elegancką, wspaniale zsynchronizowaną biomaszynę. Ten cud ewolucji miałw sobie magię. Jego rytm był muzyką, która mnie oczarowała.

I w taki właśnie sposób odnalazłem swoje powołanie medyczne. Specjalizacjaw kardiologii niosła ze sobą podniecająco żywotną wartość: aplikowanie szoku elektrycznego pacjentom, których serca przestały bić, wydawało się dość doniosłym sposobem na spędzanie moich dni. Poza tym wielu członków mojej rodziny cierpiało na choroby tego narządu. Uznałem, że może kiedyś będę się mógł im jakoś przysłużyć.

Wiele lat później, dzięki sporej dozie szczęścia, udało mi się połączyć moje pasje praktykującego kardiologa oraz dyrektora założycielskiego Centrum Dziedzicznych Chorób Serca na Uniwersytecie Stanfordaw Kalifornii. Tkwiący we mnie maniak technologiczny jest zachwycony możliwością prowadzenia laboratorium,w którym różnorakie eksperymenty biologicznei potężne komputery pomagają zrozumieć biologię. Miałem szczęście, że wrazz moimi utalentowanymi kolegami po fachu mogłem założyć kilka firm biotechnologicznych. Poza tym pracowałemz firmami takimi jak Google, Apple, Amazoni Intel,a takżez rządami kilku krajów, jako doradca do spraw znaczenia genomuw medycynie. Czuję się bardzo uprzywilejowany tym, że przyszło mi żyćw czasach technologicznej transformacji genetykii służby zdrowia.

W dzisiejszych czasach można zsekwencjonować ludzki genom za kilkaset dolarów. Kilka lat temu postanowiłem poświęcić się misji zrozumienia genomu. Uznałem, że jeśli uda się nam dokonać jego pełnej analizy, pojąć zawartąw nim informację, będziemy mogli odszyfrować genetyczną przyszłość: przewidzieći zapobiec szeregowi chorób, zanim jeszcze zaczną się objawiać. Zastanawiałem się, czy moja misja pozwoli nam dodatkowo, przynajmniej częściowo, zrozumieć, co to znaczy być człowiekiem.

Niniejsza książka opowiadao pierwszych latach moich przygód po podjęciu owej decyzji. Jej karty zabiorą Wasw podróżw głąb naukii medycyny ludzkiego genomu. Opowiem Wam historie pacjentów, których życie zmieniło się dzięki znajomości ich genomu. Przedstawię liczne grupy naukowe, które prowadziłemi które podziwiałem; pokażę drogę prowadzącą od informacji genetycznej do praktyki lekarskiej.

Pierwsze rozdziały (Wczesne genomy) zaznajomią Wasz naszym zespołemi naszymi wysiłkami, aby medycznie odcyfrować niektórez pierwszychw całości zsekwencjonowanych genomów. Opisuję tam dzieńz 2009 roku,w którym zajrzałem do gabinetu mojego współpracownikaw Stanfordziei zastałem go studiującego jego własną informację genetyczną. Opowiadam, jak ów oświecający moment sprawił, że zaczęliśmy porównywać wszystkie znane nam wówczas obserwacjei informacje dotyczące ludzkiej genetykiz jego genomem, aby lepiej zrozumieć ryzyko zapadnięcia na różne choroby. Przedstawiam syna jego kuzyna, który zmarł tragiczniew wieku kilkunastu lat,i to,w jaki sposób wykorzystaliśmy próbkę tkanki jego serca, uzyskaną podczas autopsji, aby zsekwencjonować jego genomw poszukiwaniu odpowiedzi na pytania jego rodziny. Opowiadamo początkach ludzkiego genomu referencyjnego, stworzonegow Bufallow Nowym Jorku orazo uczennicy, któraw ramach projektu naukowego przyniosła sekwencje genetyczne całej swojej rodziny. Opisuję,w jaki sposób zwiększyliśmy nasze wysiłkiw tej dziedziniew naszej stanfordzkiej klinicei jak założyliśmy firmę, która miała na celu rozszerzyć nasze działania poza murami uniwersytetu.

W drugiej części książki (Detektywi chorób) próbuję przekonać Was, że medycyna genomiczna jest bardzo podobna do pracy detektywa. Zaczynamy od „miejsca przestępstwa”, szukając wskazóweki dokumentując dowody, przy wykorzystaniu tradycyjnych metod medycznych, praktykowanych od tysięcy lat: obserwacja, badanie, dokumentacja, analiza. Dodajemy do tego nasze najnowsze narzędzie: odczytywanie genomu. Opowiadam historie pacjentówz nierozpoznanymi przypadłościami, którzy przez całe lata poszukiwali odpowiedzii znaleźli je wreszcie dzięki cudowi nauki genetycznej. Opisuję krajową sieć „detektywów” chorób, których misją jest systematyczne doprowadzanie do końca owych diagnostycznych odysei.

W trzeciej części książki (Problemy sercowe) opisuję moich zaprzyjaźnionych pacjentów kardiologicznych, opowiadamo wschodzącej gwieździe Broadwayu, która przez genetyczną loterię musiała zmierzyć sięz konsekwencjami powiększonego sercai perspektywą przeszczepu tego narządu. Opisuję,w jaki sposób próbowaliśmy pobić rekordw szybkości sekwencjonowania genomu, żeby zdiagnozowaći leczyć noworodka, którego serce zatrzymało się pięć razyw ciągu jego pierwszego dnia życia. Opowiadam teżo pewnym młodym człowiekuz szerokim uśmiechemi licznymi guzamiw sercu orazo tym,w jaki sposób powiązaliśmy przyczynę jego chorobyz brakującym fragmentem jego genomu. Opisuję,w jaki sposóbu pewnej dziewczynki znaleźliśmy nie jeden, ale dwa różne genomy. Przedstawiam Wam również historię naszego zrozumienia chorób sercai nagłej śmierci, uwarunkowań, które zwiększają predyspozycje do wystąpienia tych schorzeń oraz barwne postaci, których praca dostarczyła nam wiedzy, dzięki której możemy leczyć owe niedomagania.

W czwarteji ostatniej części książki (Precyzyjnie dokładna medycyna) spoglądamw przyszłość, dyskutująco tym, jak badanie superludzi – ludzi chronionych przed chorobami przez własny genom – może pomóc pozostałymz nas stać się nieco bardziej „super”. Opisuję kilka ekscytujących nowych projektów, mających na celu zebranie informacjiz sekwencjonowania milionów ludzkich genomów – między innymi Projekt Medycyny Precyzyjnej prezydenta Obamy oraz brytyjski Biobank. Opowiadamo postępachw leczeniui pokonywaniu chorób genetycznych – jak np.o terapii genowej – orazo metodach opracowania tradycyjnych leków, dużo skuteczniejszych dzięki znajomości genetyki.

Żadna książka nie powinna próbowaćw całości przedstawić dane zagadnienie, dlatego nie przeczytacie tutajo wielu bardzo istotnych gałęziach medycyny. Nie będziemy się na przykład zagłębialiw tematykę raka. Po pierwsze napisano już na ten temat wiele doskonałych pozycji,a po drugie,w testowaniu genetycznym ludzi cierpiących na tę chorobę niewiele metod wymaga sekwencjonowania całego genomu (większość analizy nowotworowej wymaga dokładnego sekwencjonowania zestawu genów,a więc fragmentu całej informacji genetycznej). Dlatego też temat raka zostawiłem na później. Nie poruszam również kwestii testów genetycznych podczas ciąży. Umiejętność znajdowania fragmentów DNA dzieckaw krwi matki dramatycznie zmieniła nasze podejście do owych metod, jednak nie polegają one zazwyczaj na próbie złożeniaz nich całego genomu, tak więc te historie również na razie sobie daruję. Istnieje wiele innych niedościgłych postępówi historiio moich kolegach po fachuz całego świata,o których nie byłemw stanie opowiedziećw niniejszej książce. Chciałem skoncentrować się na historii naszych własnych pacjentów oraz naszego własnego wkładuw pomaganie im, ale to, co robimy, nie byłoby możliwe bez ogromnej ilości pracyi poświęcenia wielu innych naukowców.

Bohaterami tej książki są moi pacjencii ich rodziny, wspólnie dźwigający ciężar dziedziczenia: małe dzieci, które śmieją sięi płaczą podczas wizytw klinice; odważne nastolatki, dzielnie akceptujące nowe diagnozy, wrzucające ichw wir niespodziewanej nowej rzeczywistości; rodzice, którzy codziennie opiekują się swoimi sprawnymi inaczej dziećmi, podróżując od jednego lekarza do drugiego, nieustannie martwiąc sięo nieznaną przyszłość. To dla nich budzę się co rano. Nasi pacjencii ich rodziny nigdy nie uwolnią się od tego, co ich własny genom wniósł do ich życia –a my nigdy nie przestaniemy poszukiwać głębszego, pełniejszego zrozumienia ich informacji genetycznej, aby znajdować nowe, lepsze sposoby leczenia ich dolegliwości.A kiedy nasze wysiłki spełzają na niczym, nigdy nie przestaniemy ich pocieszaći zapewniać, że nie spoczniemy, nim dojdziemy do lepszego, jaśniejszego dnia.

CZĘŚĆ I

WCZESNE GENOMY

1

Pacjent zero

Dzisiaj uczymy się języka,w którym Bóg stworzył życie.

Bill Clinton, prezydent USA

Dzielimy 51% naszych genówz drożdżamii 98%z szympansami – to nie genetyka czyni nas ludźmi.

dr Tom Shakespeare, Uniwersytetw Newcastle

Lynn Bellomi wiedziała, że coś jest bardzo nie tak. Był sierpień 2011 rokui Lynnz Arroyo Grande, miasta na malowniczym wybrzeżu kalifornijskim, właśnie wydała na świat ślicznego chłopczyka, Parkera. Na początku wszystko wydawało się normalne, ale po kilku tygodniach młoda mama stała się podejrzliwa. Parker nadal miał problemyz tym, co większości noworodków przychodzi dość szybko, jak karmieniei sen. Spał zaledwie kilka godzin dzienniei często płakał.W marcu 2012 roku, kiedy skończył już sześć miesięcy, nie okazywał zainteresowania otaczającymi go obiektamii nie przewracał sięz brzucha na plecy, nie wspominająco siedzeniu. Skierowano go do specjalisty od wczesnego rozwoju dzieci, potem do okulisty, neurologai wreszcie do genetyka. Co gorsza, zanim Parker skończył dziewięć miesięcy, pojawiły sięu niego ataki konwulsji. Zrobiono mu wiele prześwietleńi testów, które często wymagały przeprowadzenia bolesnej procedury pobierania krwi. Nikt nie potrafił zrozumieć, co się dzieje.

– Ciągłe wizytyu lekarzy, nieskończone podróżowanie samochodem – przypominała sobie jego mama. –A na dodatek miałam wrażenie, że robię to wszystko bez celu.

Miesiące zmieniły sięw lata.

W 2016 roku, kiedy po raz pierwszy poznałem Lynni 5-letniego Parkera, zostali właśnie skierowani do naszego stanfordzkiego Centrum Chorób Nierozpoznanych – jednejz siedzib narodowej sieci „detektywów medycznych”, których celem jest rozwiązywanie najtrudniejszych zagadekw medycynie.W większości przypadków sukces jestw dużej mierze wynikiem analizy genomów rodzinnych – tych najważniejszych instrukcji zapisanychw DNA, czyli „książce kucharskiej” wykorzystywanej przez wszystkie nasze komórkii układy.I tak oto 28 lipca 2016 roku pobraliśmy od Parkera krew, żeby pozyskaćz białych krwinek jego DNAi spisać każdą literkę jego genomu. To samo zrobiliśmyz rodzicami chłopca.

Trzy miesiące później, 4 października, nasi doradcy genetyczni Chloe Reuteri Elli Brimble zadzwonili do Lynnz wiadomością, że znaleźliśmy zmianęw informacji genetycznej Parkera, która nie występowała aniu niej, aniu ojca dziecka. Była to nowa mutacja, zakłócająca ekspresję genu FOXG1. Inni pacjenciz uszkodzonymi wariantami tego samego genu mieli problemy zdrowotne niezwykle podobne do tych występującychu Parkera. To musiała być nasza odpowiedź. Po raz pierwszy od chwili, gdy Lynn zauważyła nieprawidłowościw rozwoju swojego synka, całe pięć lat temu, zrozumiała istotę „wroga”. Natychmiast znalazła wsparcie grupy rodzin, których członkowie cierpieli na syndrom FOXG1 (kiedy ostatnio sprawdzałem, grupa FOXG1 na Facebooku liczyła 650 rodziców). Co więcej, zrozumienie przyczyny problemów Parkera pozwoliło nam skierować go do odpowiedniego specjalisty do spraw schorzeń ruchowych, który natychmiast zmienił zestaw leków dla chłopca, dzięki temu dramatycznie redukując jego objawy.

– Parker nadal ma od czasu do czasu ataki konwulsji, ale dużo rzadziej niż kiedyś – powiedziała mi niedawno Lynn. – Wciąż musi regularnie odwiedzać lekarza, ale poza tym jest bardzo szczęśliwym chłopcem.

Parkeri jego rodzice mogą teraz spoglądaćw przyszłość pełną nowych możliwości: łączą sięz lekarzami, naukowcamii setkami rodzinz całego świata, aby zwalczać tę chorobę wszelkimi sposobami, wspierać się, wymieniać doświadczeniami, analizować informacjei miejmy nadzieję, że pewnego dnia również znaleźć lekarstwo. Owa przyszłość wyglądałaby zupełnie inaczej, gdyby nie postępyw naszym zrozumieniu genomu – odkrycia poczynionew ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci przez naukowców, którzy zmienili sposób,w jaki wykrywamyi leczymy ludzkie choroby. Aby poznać nieco bliżej owe przełomowe odkrycia, cofnijmy się do roku 2009.

Był to dość zwyczajny dzień. Skończyłem poranne spotkaniai zamiast udać się na lunch, ruszyłem do gabinetu mojego przyszłego przyjaciela, stanfordzkiego profesora fizyki oraz bioinżyniera Stephena Quake’a. Steve był znany ze swoich pionierskich badańw dziedzinie mikroprzepływów. Wynalazł malutkie biologiczne płytki obwodówz przełącznikami – cośw rodzaju węzłów kolejowych, dzięki którym można przesyłać komórki lub molekuływ wybrane mikromiejsca docelowe do analizy. Mieliśmy się spotkaćw celu zaplanowania popołudniowego sympozjum dla Wydziału Genetyki na Uniwersytecie Stanforda. Gabinet Steve’a mieści sięw budynku im. Jamesa H. Clarka – inżyniera elektrykai założyciela rezydującychw Dolinie Krzemowej firm, takich jak Silicon Graphicsi Netscape. Budynek Clarka, zaprojektowany przez znanego brytyjskiego architekta Normana Fostera, ma kształt nerkiz licznymi czerwonymi liniamii mnóstwem szkła.W nocy, kiedy jest jasno podświetlony, wygląda jak pozaziemski statek kosmiczny, który wylądował na środku kampusu.W zasadzie można powiedzieć, że trochę tak jest. Budowla taw zamyśle miała stać się inkubatorem nowej specjalizacji: bioinżynierii – dziecka miłości, narodzonegoz małżeństwa biologiiz inżynierią. Odcinając się na tle kalifornijskiego krajobrazu pełnego słońca, błękitu niebai palm, znajduje się między Wydziałem Medycynyi Inżynierii, rzut beretem od stanfordzkich szpitali. Ludzie przechodzący obok budynku Clarka mogą zajrzeć do środka przez oknai zobaczyć jasno oświetlone rzędy stołów laboratoryjnych, na których obok stanowisk biologii molekularnej stoją narzędzia inżynierów: roboty mieszają sięz pipetami.A w ciągu dnia, po odszyfrowaniu dziwacznegoi niepotrzebnie skomplikowanego systemu numeracji pokojów, jeśli człowiek ma szczęście, może znaleźć gabinet Steve’a na trzecim piętrze.

Steve jest archetypem profesora fizyki; wyszkolonymw Stanfordziei Oksfordzie obrazoburcą. Rozmachi wszechstronność jego umysłu emanująz głowy zwieńczonej kępkami profesorskich włosów, którew czasach młodości zapewne rosły dzikoi spontanicznie, tak jak jego wyobraźnia. Pokój Steve’a jest urządzony na podobieństwo jego umysłu – sterty chaotycznie „zorganizowanych” publikacji naukowych piętrzą się pod każdą ścianąi w każdym rogu. Profesor siedzi przygarbionyw samym środku, stukającw klawiaturę. Jego energia twórcza zdaje się zasilać wszystko dookoła.W kampusie pełnym ambitnych, nastawionych na osiąganie wyników osób Steve zdecydowanie się wyróżnia. Tamtego dnia pojawiłem sięu niego, żeby porozmawiaćo seminarium, które razem prowadziliśmy, mające na celu zebranie genetyków pracującychw naszym kampusie nad DNA człowieka. Nigdy jednak nie udało się nam wykonać tego założenia.

– Chodź, popatrz na to – powiedział. Znalazłem miejsce do siedzenia pośród stosów czasopism,a Steve wskazał na monitor. Na początku nie zrozumiałem, na co patrzę. Na ekranie widniało okno przeglądarki oraz tabelkaz tytułem „Trait-o-matic” na samej górze. Był to jedenz prostych arkuszy, bez formatowania – takich, jakie można było znaleźć na najwcześniejszych stronach internetowych. Nie wyglądał estetycznie, ale to nie piękno mnie do niego przyciągnęło, lecz treść. Zobaczyłem mnóstwo kolumnz danymi. Nazwy genów, ich symbole, litery A, T, Gi C – cegiełki genomu.

– Co to takiego? – spytałem.

Jego odpowiedź stała się punktem zwrotnymw życiu nas obu. Steve odezwał się rzeczowym tonem,z cieniem tak typowego dla niego niedomówienia. Było to zdanie równie skromne, co rewolucyjne:

– To mój genom.

W ramach przybliżenia sytuacji, był początek 2009 rokui na całym świecie zaledwie garstka ludzi mogła pochwalić się, że ich genom zostałw całości zsekwencjonowany. Każde kolejne takie przedsięwzięcie było związanez dziesięciokrotnym zmniejszeniem kosztów. Projekt Poznania Ludzkiego Genomu został ufundowany za 3 miliardy dolarów przez Wydział Energii oraz Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH, od ang. National Institutes of Health).I chociaż każdy późniejszy tego typu projekt był coraz tańszy, ceny nadal wstrząsały. Craig Venter, przedsiębiorca – odszczepieniec, który podjął wyścigz publicznym projektem odczytania genomu, zsekwencjonował swoją własną kompletną informację genetyczną za około 100 milionów dolarów. Genom anonimowego Chińczykaz grupy etnicznej Han został odczytanyw 2008 roku za 2 miliony dolarów. Natomiast James Watson, zdobywca Nagrody Nobla, pospołuz Francisem Crickiem (ta dwójka wspólniez Rosalind Franklin odkryła strukturę DNA) zsekwencjonował swój genom za pośrednictwem grupyw Baylor College of Medicine na początku 2008 roku za porównywalnie skromną sumę miliona dolarów. Każdyz tych projektów wymagał zaangażowania setek naukowcówi wielu tysięcy godzin pracy, nie wspominająco sporej ilości trudu, potui znoju. Steve zsekwencjonował swój genom rok później, korzystającz technologii, którą sam opracował, przy pomocy swojej pracownicy Normy Neff oraz doktoranta Dymitrya Pushkareva. Zrobił to we własnym laboratorium za jedyne 40 tysięcy dolarówi trwało to zaledwie tydzień.

Znałem metodę sekwencjonowania zarównoz własnego laboratorium, jaki z kliniki. Wysyłaliśmy próbki krwi naszych pacjentów do sekwencjonowaniaw ramach genetycznego testu, usiłując znaleźć przyczyny dziedziczonych chorób serca. Owe analizy pozwalały uzyskać zapisw literach ATGC około 5–10 genów,o których wiedzieliśmy, że są związanez chorobami kardiologicznymi. Próbowaliśmyw nich znaleźć jednoliterowe (zazwyczaj) zmiany, które mogły być tego przyczyną.W tamtym czasie przeanalizowanie owych 5–10 genów kosztowało około 5 tysięcy dolarów,a na wyniki trzeba było czekać 2–4 miesiące. Testy dawały nam odpowiedź mniej więcejw jednej trzeciej przypadków, zważywszy na to, że nadal znajdowaliśmy się na początku naszej misji dopasowywania genów do chorób.I taka właśnie była moja rzeczywistość. Myślo tym, że można by mieć dostęp do całego genomu – nie do 5, 500,a nawet 5 tysięcy, ale do wszystkich 20 tysięcy genów, nie wspominająco pozostałych 98% DNA, które wypełnia przestrzeń między nimi, była wręcz oszałamiająca.

W tamtym czasie, wobec ciągle obniżających się kosztów sekwencjonowania genomu, kilkoroz nas zaczęło się zastanawiać, czy pewnego dnia pacjenci nie będą pojawiali sięw naszych gabinetach, dzierżącw rękach swoje genomy – dosłownie lubw przenośni.W Dolinie Krzemowej ludzie lubią porównywać wszystko do komputerów, ale gwałtownie spadające koszty sekwencjonowaniai obróbki komputerowej były interesującą metaforą dla wielu ludzi spoza obszaru Zatoki Kalifornijskiej. Naukowcy zaczęli porównywać ów trend do prawa Moora. Gordon Moore, urodzony, wychowanyi zamieszkaływ tym regionie, był fizykiem, który wspólniez Robertem „Bobem” Noycem przyczynił się do rozwojui udoskonalenia układów scalonych, zakładając firmę Intel – obecnie największego na świecie producenta układów scalonychi mikroprocesorów półprzewodnikowychw Dolinie Krzemowej.W artykulez 1965 roku, komentując szybkie postępy technologiczne, Gordon Morre zaobserwował, że „ilość tranzystorów, które można dodać do układu scalonego, podwaja się mniej więcej co roku,a to oznacza, że cena komputerów obniża sięo połowęw tych samych odstępach czasu”. Później Moore ustalił, że okres dwóch lat jest bardziej realistyczny, ale tym niemniej jego „prawo” stało się synonimem postępów technologicznych. Jeśli chodzio sekwencjonowanie, często demonstrowano, że koszt tej technologii zmniejsza sięw równie spektakularnym tempie – przynajmniej do 2008 roku, kiedy to gwałtowny spadek wydatków związanychz sekwencjonowaniem wygrałz prawem Moore’a w przedbiegach. Narodowy Instytut Badań nad Ludzkim Genomem opublikował sławetny wykres przedstawiający ostry spadek cen sekwencjonowania. Bardzo mi się podobałi tak jak wielu innych genetyków, często umieszczałem gow swoich prezentacjach. Wkrótce jednak znalazłem bardziej konkretnyi intuicyjny sposób przedstawiania tego spektakularnego spadku cen.W drodze do pracy przejeżdżałem obok salonu samochodowego marek Ferrari–Maseratiw pobliżu Atherton – obszaru zamieszkałego przez miliarderów,w samym sercu Doliny Krzemowej. Stojąc na światłach, często rzucałem spojrzenia na te samochody. Pewnego dnia czekałem na zielone, dokonując przypadkowych obliczeń matematycznychw głowie (chyba każdy tak robi, nie?)i nagle zdałem sobie sprawę, że gdyby ferrari stojącew oknie wystawowym taniałow takim tempie, jak sekwencjonowanie ludzkiego genomuw ciągu ośmiu lat od czasu opublikowania pierwszej wersji sekwencji przez Projekt Poznania Ludzkiego Genomu, to zamiast 350 tysięcy dolarów, kosztowałoby około 40 centów. Ferrari za 40 centów! Milionkrotna redukcjaw cenie. To również wydawało się dość niezwykłe, więc dodałem ową ideę do moich prezentacji. Jeszcze do dzisiaj niektórzy ludzie mówią mi, że z moich wykładów pamiętają tylko to.

To prawda, że w 2009 roku, kiedy spisanie genomu Steve’a nadal kosztowało 40 tysięcy dolarów, pomysł, że pacjenci zaczną do nas przychodzić ze swoimi sekwencjami genetycznymi, był na tyle realistyczny, co posiadanie przeze mnie ferrari. Futuryzm jest jednak bardzo silnym bodźcem dla wyobraźni. Czy nie powinniśmy się przygotować na nadejście takiego dnia? Owszem, czekają nas wyzwania obliczeniowei mamy nadal ogromne lukiw wiedzy, ale gdybyśmy zdołali nie tylko zsekwencjonować, ale odszyfrować genom – nie tylko przeczytać książkę, ale zrozumieć ją – gdybyśmy potrafili zmienić danew wiedzę,a potem wykorzystać ją do leczenia naszych pacjentów? Niesamowity pomysł.

Znalazłem się więcw gabinecie Steve’a, który zaczął zadawać mi pytania na temat przeróżnych genów, wskazując na miejsca na ekranie,w których jego własny zapis DNA różnił się od genomu referencyjnego (o którym porozmawiamy później,w rozdziale szóstym).

– Rozpoznajesz coś może? – spytał.

Przejrzałem szybko listę nazwi zauważyłem gen, który znałem naprawdę dobrze: gen białka C, wiążącego miozynę typu sercowego. Koduje on proteinę, która jest bardzo ważną częścią motoru molekularnegow mięśniu sercowym. Jego prawdziwa funkcja umykała naukowcom przez wiele lat, ale teraz wiemy, że warianty tego genu są najczęstszą przyczyną dziedzicznej choroby serca, tzw. kardiomiopatii przerostowej. Jest to schorzenie prowadzące do niewydolności sercai związanez większą liczbą nagłych zgonów.A ja wpatrywałem sięw genom Steve’a, który wskazywał właśnie na mutacjęw dokładnie tej części swojego genomu. Istniała szansa, że modyfikacja tego genu mogła zagrażać jego życiu,a więc oczywiście jako kardiolog zacząłem wypytywać goo jego historię chorób. Czy ma jakieś dolegliwości? Jakieś objawy? Bólw klatce piersiowej? Duszności? Palpitacje? Przestałem być naukowcem, który odwiedził kolegę po fachuw jego gabinecie,i stałem się lekarzem rozmawiającymz pacjentem – całkiem innym rodzajem detektywa, szukającego bardzo osobistych, prywatnych prawd. Ku mojej uldze Steve nie doświadczył żadnegoz powyższych objawówi nie cierpiał na żadną znaną chorobę.

Przeszedłem więc do historii rodziny. Oznacza to różne rzeczy,w zależności od lekarza. Niektórzy muszą dla porządku spytać: „Żadnej historii chorobyw rodzinie?” tylko po to, żeby odhaczyć punkt na liście. Dla genetyka lub diagnostyka rzadkich chorób jest to skrzynia pełna skarbów, sejf pełen wskazówek, przez które należy się przedrzeć, rozłożyć na czynniki pierwsze, przeanalizowaći złożyćz powrotem. Ten rodzaj diagnostyków traktuje historię medyczną rodziny tak, jak Sherlock Holmes miejsce zbrodni: przyglądają się wszystkim najdrobniejszym szczegółom pod każdym możliwym kątem, wypytują, przesłuchują,a potem zastanawiają się. Mimo to niewieluz nas tak naprawdę zna pełną historię medyczną swoich rodzin. Sami spróbujcie się przekonać. Sporządźcie listę chorób,z którymi mieliście do czynieniaw waszej rodzinie,a potem zapiszcie przy każdej pozycji imiona krewnych, którzy cierpieli na daną chorobę,a także ich wiek, gdy zostali zdiagnozowani. To nie takie proste. Zadałem Steve’owi to pytanie,a on, podobnie jak większość pacjentów, odpowiedział bardzo szybko:

– Nie, żadnych chorób sercaw rodzinie. –A potem, jakby nagle otworzył zakurzoną teczkęz dokumentami, wciśniętą gdzieśw najgłębszy kąt szuflady, dodał: – Ale zaraz, mój tata miał jakieś problemyz sercem… cośz nieprawidłowym rytmem komorowym…

– Tachykardia? – podpowiedziałem usłużnie, nie spodziewając się, że trafię. Zareagowałem po prostu odruchowo, oferując najgorszyz możliwych scenariuszy (jak to każdy lekarz). Częstoskurcz komorowy polega na nieprawidłowej przyspieszonej czynności skurczowej serca. Jego przyczyną może być między innymi kadiomiopatia przerostowa.

– Tak, chyba właśnie to.

W tej chwili moją ciekawość przyćmił niepokój.W przypadku częstoskurczu komorowego normalna skoordynowana aktywność obu komór serca zmienia sięw niebezpiecznie nieregularny rytm, który prowadzi do niewydolnościw pompowaniu krwi. Zmniejszony przepływ krwi do mózgu oznacza utratę przytomnościi szybkie zakończenie życia. Jest to rytm, który wzbudza strachu wielu lekarzy, ponieważ niemal zawsze oznacza stan krytycznyi wskazanie do natychmiastowego leczenia. Kiedy medycy są wzywani do pacjentaz tachykardią, puszczają się biegiem. Już sama nazwa opisuje szybki rytm, który wywołuje nieprzyjemny sygnał alarmowy na szpitalnych monitorach. Jest to rytm, który krzyczy: „Zrób coś natychmiast!”, szybki, przerażającyi czasami śmiertelny.

Podsumujmy sytuację: przyszedłem na spotkaniez moim nowym kolegą Steve’em – światowej sławy naukowcem, aby omówić seminarium genetyczne. Ostatecznie rozmawialiśmyo tym, że częstoskurcz komorowy – związanyz syndromem nagłej śmierci –u jego taty najprawdopodobniej miał przyczyny genetyczne,a ja – kardiolog specjalizujący sięw dziedzicznych chorobach serca związanychz podwyższonym prawdopodobieństwem nagłej śmierci, wpatrywałem sięw genom Steve’a,a konkretnie na szczególny wariant genu, który jest związanyz występowaniem kardiomiopatii przerostowej, dziedzicznej przyczyny nagłego zgonu sercowego.

– A czy ktoś kiedyśw twojej rodzinie zmarł dość nagle? – spytałem. To pytanie jest bez wątpienia najskuteczniejszym narzędziem. Tego typu pytaniai odpowiedzi na nie są dla lekarza tym, czym narzędzia dla chirurga. Każdy chirurg ma swoje ulubione narzędzia, niektórez nich są wykonywane na zamówienie. Idealnie leżąw dłoni, są świetnie wyważonei każdy chirurg wie dokładnie, jak każdez nich zachowa się podczas operacji,w jaki sposób zareagują na niego tkanki. Pytania takie jak to, jeśli zostają zadanew odpowiednim momenciei w odpowiedni sposób, zachowują się niczym diagnostyczny skalpel.

– W zasadzie to owszem… syn mojego kuzyna całkiem niedawno zmarł zupełnie nagle, całkiem bez przyczyny.

Trafiony zatopiony!

Mamy zatem historię nagłej, niewyjaśnionej śmierciw rodzinie. Najczerwieńszez czerwonych światełek zamigało mi tuż przed oczamiw pełnej krasie. Starając się nie okazywać podekscytowania, przeprowadziłemw głowie znacznie mniej niedbałe obliczenia prawdopodobieństwa,z jakim Steve może dzielić tę samą wadę genetycznąz synem swojego krewnego.

– Och, doprawdy?A ile miał lat?

– Tylko dziewiętnaście. Czarny pasw karatei zdaje się, że nie przechorował ani jednego dniaw swoim życiu.

Nastawiłem uszu. Najczęstszą przyczyną nagłej śmierciu młodych ludzi jest dziedziczna choroba serca, taka jak kardiomiopatia przerostowa. Zaprosiłem Steve’a do mojej klinikiw celu zbadania goi właśniew tamtej chwili stał się nie tylko moim kolegąi przyjacielem, ale również moim pacjentem. Niecałą nanosekundę później, zastanawiając się nad tym, jak to wszystko zorganizować – jak szybko będę mógł załatwić mu testy kardiologicznei ile przysług będę musiał byćz tego powodu winien – zdałem sobie sprawę, że Steve stanie się pierwszym pacjentem na świecie, który przyjdzie na wizytę do lekarza, przynosząc ze sobą sekwencję swojego genomu.

Kompletną sekwencję.

A tym lekarzem byłem ja.

Wróciłem do swojego biuraz głową pełną możliwościi niemożliwości. Jak zabrać się do analizy genomu?W tamtych czasach idea interpretacji całej informacji genetycznej człowieka wydawała się równie przedwczesna, co absurdalna. Kilka kompletnych, opublikowanych już genomów zostało przeanalizowanych głównie pod kątem statystycznym: np. znaleźliśmy tyle wariantów wy stępowania danej litery. Zespół naukowy na Uniwersytecie Baylora posunął się dalej, analizując warianty ważnych medycznie genóww genomie Jima Watsona, jednak rozszerzenie tego medycznego podejścia na całą informację genetyczną, czyli każdy wariant każdego genu, było przedsięwzięciem, na które nikt wtedy nie miał jeszcze praktycznego pomysłu.

Odszukałem więc jednegoz moich stażystów kardiologów (teraz już wieloletniego współpracownikai przyjaciela, niezwykle utalentowanego naukowca klinicznego), Matthewa Wheelera. Matt pochodziz Nowego Jorku, szkolił sięw Chicago, zanim przybył do Stanfordu. Był wysokii szerokiw barach – na tyle, że potrafił rozpędzić łódkę wiosłową do sporej prędkości,a jednocześnie na tyle zwinny, aby wyglądaćw trakcie tej aktywnościo niebo lepiej niż ja podczas jazdy na nartach. Spotkanie zostało zaaranżowane przez nasze żony podczas przyjęcia dla załogiw jego klubie wioślarskim. Szybko okazało się, że nas oboje pasjonuje kardiologia, genetyka, sporty oraz dziedziczne choroby serca. Tamtego dnia rozmawialiśmyo pomyśle stworzenia Centrum Dziedzicznych Chorób Sercowo-Naczyniowych. Pięć lat później, kiedy spotkaliśmy sięw moim gabinecie (który później stał się jego biurem), opowiedziałem muo genomie Steve’a,o historii medycznej jego rodziny orazo pomyśle, który powstałw mojej głowie po tym, jak wyszedłem ze spotkaniaz nim. Była to, powiedzmy sobie, idea klinicznego przeanalizowania całego ludzkiego genomu – każdej pozycji, każdego genu, każdego allelu. Odpowiedź Matta była jak zwykle spokojna, wygłoszona niemal sotto vocei przepowiadająca przygodę, którą mieliśmy obaj wkrótce rozpocząć:

– Cieszę się, że ambicja jeszcze nie opuściła murów tej szacownej budowli.

Ludzki genom znajduje się wewnątrz niemal każdej komórki naszego ciała. Niemal, ponieważ niektóre rodzaje komórek, jak np. czerwone krwinki, tracą gow trakcie dojrzewania (w tym przypadku, żeby zrobić więcej miejsca na upakowanie tlenu). Znajduje się onw „wewnętrznym sejfie” komórki, czyli jądrze komórkowym, chociaż niektóre geny znajdują sięw „akumulatorach” komórki, czyli mitochondriach. Jak wspomniałem wcześniej, genom zbudowany jestz bardzo długich cząsteczek DNA. Każdy łańcuch DNA zbudowany jestz nukleotydów – specjalnych cukrówz przyłączoną jednąz czterech zasad: adeniną, tyminą, guaninąi cytozyną. Pierwsze litery tych nazw – ATGC – tworzą kod genetycznyo długości 6 miliardów liter. Cząsteczki DNA są tak długie, że gdyby udało się rozciągnąć jego nićz jądra jednej komórki, miałaby dwa metry. Dlatego musi być upakowane, żeby zmieścić sięw małym jądrze komórkowym. DNA nawinięte jest na specjalne białka, czyli histony,i ściśniętew strukturę zwaną chromatyną. Chromatyna tworzy indywidualne chromosomy. Każdy normalny ludzki genom zawarty jestw 23 parach chromosomów: 22 zwyczajnychi jednej parze chromosomów płciowych – kombinacji Xi Y (kobiety mają dwa chromosomy X, zaś mężczyźni jeden Xi jeden Y). Niektóre schorzenia wynikająz duplikacji całego chromosomu: np. trisomia chromosomu 21 (kiedy mamy do czynieniaz trzema kopiami chromosomu 21) jest znana jako zespół Downa. Podsumowując, genom jest książką kucharską znajdującą sięw niemal każdej komórce naszego ciała. Składa sięz 6 miliardów kombinacji liter ATGi Ci jest upakowanyw chromosomy, których większość ludzi ma 23 pary.

Owa książka kucharska zawiera spis składników wrazz dokładnymi instrukcjami postępowania. Składnikami są geny, które różnią się od siebie wielkością: najmniejszy ma długość zaledwie ośmiu liter (lub inaczej par zasad), zaś najdłuższy – 2473559. Większość genów to po prostu instrukcje budowy białka. Aby doprowadzić do jego syntezy, DNA musi zostać przepisane na pokrewną cząsteczkę zwaną kwasem rybonukleinowym (RNA), która wynosi szyfr danego białka jak przesyłkę poza jądro. Następnie wiadomość zawartaw RNA jest tłumaczona, po trzy litery na raz, na aminokwasy, które są cegiełkami tworzącymi białka. Białka spełniająw komórce różnorakie funkcje. Białka strukturalne utrzymują komórkęw odpowiednim kształcie, białka motoryczne pomagają przesuwać różne substancjew różne części komórki,a enzymy pomagają przekształcać jedną cząsteczkęw inną. Mimo to około 20 tysięcy genów kodujących wszystkie nasze białka stanowi zaledwie 2% genomu. Coz pozostałymi 98%? Dzisiaj wydaje się niewyobrażalne, że przez wiele lat ta część genomu była określana jako „DNA śmieciowe”. Oznaczało to głównie, że nikt nie wiedział tak naprawdę, do czego służy. Nasza naiwność, która pozwoliła założyć, że matka natura nie wykorzystuje ogromnej części naszego genomu,z roku na rok zawstydza nas coraz bardziej, kiedy odkrywamy coraz więcej tajemnic tego „nieczynnego” genomu. Okazuje się, że ta „niekodująca” część naszego materiału genetycznego pełni ważną rolęw ustalaniu, czy geny są włączone, czy nie. Poza tym około połowy genów ma powiązane ze sobą pseudogenyw tej właśnie części genomu. Są to kopie genu, które przestały funkcjonować (a przynajmniej tak na początku sądziliśmy – teraz wiemy, że pseudogeny mogą regulować aktywność innych genów, zwłaszcza tych „partnerskich”). Niektóre fragmenty „nieczynnego” DNA rzeczywiście wyglądają jak śmieci: połowa genomu składa sięz powtarzających się sekwencji, których funkcji nadal jeszcze tak naprawdę nie rozumiemy. Na dodatek niemal 10% genomu wywodzi się od wirusów, które dawno temu,w przeszłości, zintegrowały sięz nicią DNA. Zupełne wariactwo, nie? Pamiętajcieo tym fakcie następnym razem, kiedy dopadnie was przeziębienie.

Odcyfrowanie czegoś tak skomplikowanego jak genom przez długi czas wydawało się niemożliwe.W latach 70. zaproponowano dwie metody sekwencjonowania, ale naukę zdominowała jednaz nich, wymyślona przez Frederica Sangera. Był on brytyjskim naukowcem, który chociaż otrzymał dwie Nagrody Noblai prowadził dwójkę doktorantów – później również laureatów tej nagrody, opisywał siebie jako „zwykłego gościa, który kręcił się po laboratorium”. Metoda Sangera, która zdominowała technologię sekwencjonowania DNA na całe dziesięcioleciai nadal pełni ważną rolę, wykorzystuje istnienie molekularnej maszyny kopiującej, obecnej we wszystkich naszych komórkach, zwanej polimerazą DNA[1].

Aby wyjaśnić metodę sekwencjonowania Sangera, będę musiał posłużyć się nieco bardziej technicznym językiem. Wyobraźcie sobie, że macie cztery probówki, oznaczone literą A, T, G albo C.W każdejz nich umieszczamy naszą „maszynę kopiującą DNA”, cząsteczki DNA, które chcemy powielić oraz cegiełki molekularne,z których to DNA powstaje (A, T, Ci G). Następnie do każdej probówki dodajemy szczególną odmianę wybranej cegiełki molekularnej, odpowiadającej literze na tubce. Ważne jest również to, że dodajemy jej tylko trochęw porównaniuz normalnymi nukleotydami. Wyobraźcie sobie teraz, że maszyna kopiująca DNA zaczyna pracę, chwytając poszczególne cegiełki budujące DNA, obecnew mieszance. Oczywiście istnieje dużo większe prawdopodobieństwo, że wybierze zwykły nukleotyd,a nie ten specjalnie zmodyfikowany, ponieważ tych zwyczajnych jest dużo więcej.W którymś momencie jednak nawinie jej się tenz przyczepioną chorągiewką.W tym momencie maszyna kopiująca DNA przerywa pracę,a fragment DNA, który do tej pory wytworzyła, jest oznaczony radioaktywnym atomem. Maszyna kopiująca porzuca ten kawałek nici DNAi zaczyna kopiowanie od początku. Cały proces powtarza się wiele razy.W efekcie uzyskujemy cztery probówki, zawierające fragmenty DNAo różnej długości. Probówkaz literąA zawiera te fragmenty, które kończą się na radioaktywnej adeninie, probówkaz literą T – fragmenty oznakowane radioaktywną tymidynąi tak dalej. Aby odczytać sekwencję naszej oryginalnej molekuły DNA, mieszanina fragmentówz każdej probówki jest przepuszczana przez specjalny żel, używając do tego ładunku elektrycznego. Poszczególne fragmenty poruszają się szybciej lub wolniej wzdłuż żelu,w zależności od ich długości. Dzięki obecnymw nim radioaktywnym fragmentom można wykonać „fotografię” poprzez ekspozycję żelu na specjalnej kliszy. Uzyskujemy wtedy cztery długie, wąskie paski, które przypominają trochę drabinęz wieloma brakującymi szczeblami. Kiedy wszystkie te paski położymy obok siebie, zaczniemy dostrzegać magię tej metody. Każdy szczebelek występuje tylko na jednejz fotografii. Pasek, na którym się on pojawia, odpowiada jednejz czterech literw tej pozycji: A, T, Gi C.

Jeżeli nie zrozumieliście tego, proszęo cierpliwość. Ten pracochłonny proces został przyspieszonyi skomercjalizowany za sprawą trzech przełomowych postępów technologicznych: i) radioaktywność została zastąpiona cząsteczkami emitującymi światło, ii) całą reakcję zaczęto przeprowadzaćw jednej probówce oraz iii) cząsteczki są rozdzielane szybcieji efektywniejw oparciuo ich ładunek elektryczny. Technologia owa, odczytująca kopie DNA długie na około 500 liter, została opracowana przez firmę Applied Biosystemsi stała się podstawową techniką sekwencjonowaniaw Projekcie Poznania Ludzkiego Genomu.

Spisanie drugiego ludzkiego genomu zostało przeprowadzone przy użyciu tej samej technologiii zakończyło się mniej więcejw tym samym czasie co Projekt Poznania Ludzkiego Genomu. DNA należało do Craiga Ventera, naukowca, który założył firmę mającą na celu sekwencjonowaniei patentowanie (przynajmniejw założeniu) ludzkich genów. Venter wywołał prawdziwą burzę, stając do wyściguz programem publicznym (koniec końców oznajmiono remis). Zsekwencjonowanie genomu Ventera kosztowało około 100 milionów dolarów (reprezentując niesamowitą obniżkę ceny naszego ferrariz oryginalnych 350 tysięcy dolarów do zaledwie 12 tysięcy). Wiele przełomowych odkryćw biologii można by porównać (jeśli nie treścią, to choćby językiem) do fantastyki naukowej. Być może właśnie dlatego narodziło się tak zwane sekwencjonowanie „nowej generacji”. Jean-Luc Picard ze Star Treka byłby dumny.A ponieważ naturalnie słowo „nowe” jest określeniem względnym,a nie absolutnym, zapewne nieunikniony stał się fakt, że wszystkie technologie sekwencjonowania, które pojawiły się po metodzie Sangera,w którymś momencie nazywano „nową generacją”. Jest to podarunek, który wciąż dostarcza nam bodźców –a tym bodźcem jest niejasność. Ale jedną cechą, którą wszystkie technologie „nowej generacji” mają ze sobą wspólną, jest ich zdolność rozszerzania możliwości sekwencjonowania. Zamiast koncentrować się na tej części genomu, którą chce się poznać –i zamiast tworzyć kopie tylkoi wyłącznie tego fragmentui sekwencjonowanie go metodą Sangera – można wziąć cały genom, pociąć go na mniejsze fragmenty (mniej więcej długości 100 liter)i zsekwencjonować je wszystkiew tym samym czasie. Coś takiego daje potężne turbo doładowanie procesowi sekwencjonowania.

Oczywiście dopracowanie tego typu zaawansowanych technologii zajęło sporo czasu. Minęło siedem lat, zanim został opublikowany kolejny ludzki genom, pochodzącyw całości od jednego osobnika.W 2007 roku DNA noblisty Jamesa Watsona zostało spisane przy wykorzystaniu technologii opracowanej przez firmę 454 (ufundowaną przez przedsiębiorcę Jonathana Rothberga), wykorzystanej przez zespół naukowy na Wydziale Medycyny na Uniwersytecie Baylora, prowadzony przez australijskiego genetyka Richarda Gibbsa. Tajemnicza firma 454 zostaław tym samym roku wykupiona przez giganta Roche ze względu na jej metodę sekwencjonowania bardzo długich fragmentów DNA (początkowo były to nici długości 400–500 par zasad, ale późniejsze udoskonalenia tej techniki pozwalały na odczytywanie fragmentówo długości nawet 1000 liter). Według analizy naukowcówz Uniwersytetu Baylora genom Watsona sugerował predyspozycje do raka. Dodatkowo Watson nie pozwolił udostępnić szerszej publiczności statusu wariantu genu, który predysponował go do zapadnięcia na chorobę Alzheimera. Zsekwencjonowanie genomu Watsona zajęło dwa miesiącei kosztowało milion dolarów. Cena ferrari spadła do 116 dolarów.

Dość szybko inne grupy naukowe opublikowały sekwencje trzech kolejnych genomów (pozostały one anonimowe) – pod koniec 2008 rokui na początku 2009. Wszystkie zostały przeanalizowane przy użyciu technologii opracowanej przez firmę Illumina – dominującą siłęw dziedzinie sekwencjonowaniaw ostatnim dziesięcioleciu. Co ważniejsze, owe genomy zaczęły reprezentować różnorodność biologiczną: jeden dawca był Chińczykiemz rasy Han, drugi – Koreańczykiem,a trzeci pochodziłz Afryki Zachodniej. Ostatnia publikacja zawierała również serię medycznych komentarzy dotyczących genomui wykorzystywała nawet wczesną wersję programu komputerowego Trait-o-matic, który po raz pierwszy było mi dane zobaczyćw gabinecie Steve’a. Sekwencjonowanie każdegoz tych trzech genomów zajęło około 6–8 tygodnii kosztowało kilkaset tysięcy dolarów: trzy ferrari, każdew cenie 50 dolarów.

Genom Steve’a wyróżniał sięz kilku powodów. Po pierwsze to właśnie Steve wynalazł technikę sekwencjonowania genomui założył firmę Helicos, żeby wprowadzić na rynek instrument, który wymyślił, nazwany przez niego Heliskopem. Technologia Helicosu różniła się od metody Sangerai Illiuminy tym, że sekwencjonowało się pojedyncze cząsteczki DNA. Nukleotydy były znakowane fluorescencyjniei przepuszczane strumieniem przez matrycę, na której znajdowały się przyczepione fragmenty DNA. Za każdym razem, gdy nasza „maszyna kopiująca”, czyli polimeraza, wbudowywała fluorescencyjny polimer do nowej nici DNA, bardzo czuły aparat fotograficzny wykonywał zdjęcia – cośw rodzaju fotografii malutkiej, zapalającej się nagle żaróweczki. Następnie etap płukania usuwał daną „żaróweczkę”, po czym pojawiała się następna, również sfotografowana po wbudowaniuw nową nić.I tak dalej,i tak dalej. Oczywiście taka fotografia nie utrwalała wyłącznie jednej rozświetlonej „żaróweczki”, ale całe ich miliony za jednym zamachem. Oznaczało to, że w ciągu jednego tygodnia można było uzyskać danez całego genomu ludzkiego za cenę jedynych 40 tysięcy dolarów.A zatem nasze ferrari, Drodzy Państwo, zostałoby złożonew ciągu niecałej godziny, zaś jego cena spadłaby do sześciu dolarów.

Zapewne potraficie sobie wyobrazić, że wszystkie te metody „nowej generacji” pozwoliły uzyskać sekwencje milionów „wyrazów” genomu, czyli krótkich fragmentów DNA, które wprowadzane są do sekwensera. Oczywiście „wyrazy” te uzyskiwane sąw przypadkowym układziei żeby je zrozumieć, trzeba je odpowiednio zorganizować – złożyć razem tak, jak się układa puzzle. Zazwyczaj dokonują tego programy komputerowe, które skanują ludzki genom referencyjny (sekwencję stworzoną przez Projekt Poznania Ludzkiego Genomu)i odnajdują właściwą pozycję dla każdego nowego „słowa”.W tej chwili takie programy są czymś normalnym, ale pamiętajmy, że kiedyś ktoś musiał napisać pierwszy od zera. Zadanie to przypadło Dimitriowi Puszkarewowiz laboratorium Steve’a – wysokiemu, szczupłemu magistrantowiz Rosji, który miał wystarczająco siły, żeby programować nocami, zaśw dzień oddawać się rozmaitym przygodom. Dimitri stworzył jednez pierwszych programów, które umiały połączyć ze sobą fragmenty genomui znaleźć miejsca,w których sekwencja różniła się od genomu referencyjnego.I właśniez tymi danymii tymi algorytmami rozpoczęliśmy naszą pracę.

Ciąg dalszy w wersji pełnej

Tytuł oryginału: The Genome Odyssey

Copyright © 2021 by Euan Angus Ashley

Wszelkie prawa zastrzeżone

Copyright for the Polish edition © 2025 by Grupa Wydawnicza FILIA

Żaden z fragmentów tej książki nie może być publikowany w jakiejkolwiek formie bez wcześniejszej pisemnej zgody Wydawcy. Dotyczy to także fotokopii i mikrofilmów oraz rozpowszechniania za pośrednictwem nośników elektronicznych.

Wydanie II, Poznań 2025

Projekt okładki: © Andrzej Komendziński

Redakcja i korekta: RedKor Agnieszka Luberadzka

Skład i łamanie: Sandra Holona-Biegun

Konwersja publikacji do wersji elektronicznej:

„DARKHART”

Dariusz Nowacki

[email protected]

eISBN: 978-83-8402-130-9

Grupa Wydawnicza Filia sp. z o.o.

ul. Kleeberga 2

61-615 Poznań  

wydawnictwofilia.pl

[email protected]

Seria: FILIA NA FAKTACH