إن المخطط الجيني البشري بسيط بشكل خادع. جيناتنا ملفوفة بإحكام في 46 بنية على شكل X تسمى الكروموسومات. لقد تم تصنيعها عن طريق التطور، وهي تحمل الحمض النووي وتتضاعف عندما تنقسم الخلايا، مما يضمن استقرار الجينوم لدينا على مر الأجيال.
في عام 1997، نسفت دراسة قواعد اللعبة الخاصة بالتطور. لأول مرة، قام فريق بإنشاء كروموسوم بشري صناعي باستخدام الهندسة الوراثية. عند توصيله إلى خلية بشرية في طبق بتري، يتصرف الكروموسوم الاصطناعي بشكل يشبه إلى حد كبير نظرائه الطبيعيين. ويتضاعف مع انقسام الخلايا، مما يؤدي إلى خلايا بشرية تحتوي على 47 كروموسومًا.
كن مطمئنًا، فالهدف لم يكن تطوير جنسنا البشري بشكل مصطنع. وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام الكروموسومات الاصطناعية لحمل قطع كبيرة من المادة الوراثية البشرية أو أدوات تحرير الجينات إلى الخلايا. بالمقارنة مع أنظمة التوصيل الحالية - حاملات الفيروسات أو الجسيمات النانوية - يمكن للكروموسومات الاصطناعية أن تشتمل على كمية أكبر بكثير من الحمض النووي الاصطناعي.
ومن الناحية النظرية، يمكن تصميمها لنقل الجينات العلاجية إلى الأشخاص الذين يعانون من اضطرابات وراثية أو إضافة جينات وقائية ضد السرطان.
ومع ذلك، وعلى الرغم من أكثر من عقدين من البحث، فإن هذه التكنولوجيا لم تدخل بعد إلى الاتجاه السائد. أحد التحديات هو أن قطع الحمض النووي القصيرة التي ترتبط لتشكل الكروموسومات تلتصق ببعضها البعض مرة واحدة داخل الخلايا، مما يجعل من الصعب التنبؤ بكيفية تصرف الجينات.
هذا الشهر، دراسة جديدة من جامعة بنسلفانيا غيرت الوصفة التي عمرها 25 عامًا وقامت ببناء جيل جديد من الكروموسومات الاصطناعية. بالمقارنة مع سابقاتها، فإن الكروموسومات الجديدة أسهل في الهندسة وتستخدم شرائح أطول من الحمض النووي لا تتجمع مرة واحدة داخل الخلايا. كما أنها حاملة كبيرة، يمكنها من الناحية النظرية نقل المواد الجينية التي يبلغ حجمها تقريبًا أكبر كروموسوم الخميرة إلى الخلايا البشرية.
"في الأساس، قمنا بإصلاح شامل للنهج القديم لتصميم وتسليم HAC [الكروموسوم الاصطناعي البشري"،" مؤلف الدراسة الدكتور بن بلاك محمد في بيان صحفي.
"من المرجح أن يؤدي هذا العمل إلى تنشيط الجهود المبذولة لهندسة الكروموسومات الاصطناعية في كل من الحيوانات والنباتات." كتب كيلي داو من جامعة جورجيا، والذي لم يشارك في الدراسة.
شكل لك
منذ عام 1997، أصبحت الجينومات الاصطناعية تقنية حيوية راسخة. لقد تم استخدامها لإعادة كتابة الحمض النووي في البكتيريا والخميرة والنباتات، مما أدى إلى خلايا يمكنها تصنيع الأدوية المنقذة للحياة أو أكل البلاستيك. ويمكنهم أيضًا مساعدة العلماء على فهم وظائف تسلسلات الحمض النووي الغامضة المنتشرة في جميع أنحاء الجينوم لدينا بشكل أفضل.
جلبت التكنولوجيا أيضًا الكائنات الاصطناعية الأولى. في أواخر عام 2023، العلماء كشفت خلايا الخميرة مع استبدال نصف جيناتهم بالحمض النووي الاصطناعي، ويأمل الفريق في نهاية المطاف في تخصيص كل كروموسوم على حدة. في وقت سابق من هذا العام، دراسة أخرى أجزاء مُعاد صياغتها من كروموسوم النبات، مما يزيد من توسيع حدود الكائنات الاصطناعية.
ومن خلال تعديل هياكل الكروموسومات - على سبيل المثال، قطع المناطق التي يشتبه في أنها عديمة الفائدة - يمكننا أن نفهم بشكل أفضل كيف تعمل هذه الكروموسومات بشكل طبيعي، مما قد يؤدي إلى علاجات للأمراض.
الهدف من بناء كروموسومات صناعية بشرية ليس هندسة خلايا بشرية صناعية. بل يهدف هذا العمل إلى تعزيز العلاج الجيني. تعتمد الأساليب الحالية لنقل الجينات العلاجية أو أدوات تحرير الجينات إلى الخلايا على الفيروسات أو الجسيمات النانوية. لكن هذه الناقلات لديها قدرة شحن محدودة.
وإذا كانت مركبات التوصيل الحالية أشبه بالمراكب الشراعية، فإن الكروموسومات البشرية الاصطناعية أشبه بسفن الشحن، حيث تتمتع بالقدرة على حمل نطاق أكبر وأوسع كثيراً من الجينات.
المشكلة؟ من الصعب بناءها. على عكس البكتيريا أو كروموسومات الخميرة، التي تكون دائرية الشكل، فإن كروموسوماتنا تشبه "X". يوجد في وسط كل منها مركز بروتين يسمى السنترومير الذي يسمح للكروموسوم بالانفصال والتكاثر عندما تنقسم الخلية.
بطريقة ما، يشبه السنترومير الزر الذي يحافظ على قطع القماش المهترئة - أذرع الكروموسوم - سليمة. ركزت الجهود السابقة لبناء كروموسومات صناعية بشرية على هذه الهياكل، واستخراج رسائل الحمض النووي التي يمكنها التعبير عن البروتينات داخل الخلايا البشرية لتثبيت الكروموسومات. ومع ذلك، فإن تسلسلات الحمض النووي هذه تلتصق بنفسها بسرعة مثل الشريط ذي الوجهين، وتنتهي على شكل كرات تجعل من الصعب على الخلايا الوصول إلى الجينات المضافة.
قد يكون أحد الأسباب هو أن تسلسل الحمض النووي الاصطناعي كان قصيرًا جدًا، مما يجعل مكونات الكروموسوم الصغير غير موثوقة. اختبرت الدراسة الجديدة الفكرة من خلال هندسة مجموعة كروموسوم بشرية أكبر بكثير من ذي قبل.
ثمانية هو رقم الحظ
وبدلاً من كروموسوم على شكل X، صمم الفريق كروموسومهم الاصطناعي البشري على شكل دائرة، وهو متوافق مع التكاثر في الخميرة. تحتوي الدائرة على 760,000 ألف زوج من حروف الحمض النووي، أي ما يعادل 1/200 تقريبًا حجم كروموسوم بشري كامل.
داخل الدائرة كانت هناك تعليمات وراثية لصنع سنترومير أكثر ثباتًا - "الزر" الذي يحافظ على بنية الكروموسوم سليمة ويمكن أن يجعله يتضاعف. بمجرد التعبير عن الزر داخل خلية الخميرة، يقوم بتجنيد الآلية الجزيئية للخميرة لبناء كروموسوم صناعي بشري سليم.
في شكله الدائري الأولي في خلايا الخميرة، يمكن بعد ذلك تمرير الكروموسوم البشري الاصطناعي مباشرة إلى الخلايا البشرية من خلال عملية تسمى اندماج الخلايا. قام العلماء بإزالة "الأغلفة" حول خلايا الخميرة بالمعالجات الكيميائية، مما سمح لمكونات الخلايا - بما في ذلك الكروموسوم الاصطناعي - بالاندماج مباشرة في الخلايا البشرية داخل أطباق بتري.
مثل الكائنات الفضائية الخيرية، تم دمج الكروموسومات الاصطناعية المضافة بسعادة في خلاياها البشرية المضيفة. وبدلاً من أن تتكتل في حطام ضار، تضاعفت الدوائر إلى شكل الرقم ثمانية، حيث كان السنترومير يربط الدوائر معًا. وتعايشت الكروموسومات الاصطناعية بسعادة مع الكروموسومات الأصلية على شكل X، دون تغيير وظائفها الطبيعية.
بالنسبة للعلاج الجيني، من الضروري أن تظل أي جينات مضافة داخل الجسم حتى أثناء انقسام الخلايا. وهذه الميزة مهمة بشكل خاص للخلايا سريعة الانقسام مثل السرطان، والتي يمكن أن تتكيف بسرعة مع العلاجات. إذا كان الكروموسوم الاصطناعي مليئًا بجينات معروفة تعمل على تثبيط السرطان، فيمكنه السيطرة على السرطان والأمراض الأخرى عبر أجيال الخلايا.
لقد اجتازت الكروموسومات البشرية الاصطناعية الاختبار. وقاموا بتجنيد بروتينات من الخلايا البشرية المضيفة لمساعدتها على الانتشار أثناء انقسام الخلايا، وبالتالي الحفاظ على الجينات الاصطناعية على مدى أجيال.
إحياء
لقد تغير الكثير منذ أول كروموسومات اصطناعية بشرية.
أدوات تحرير الجينات، مثل كريسبر، جعلت من السهل إعادة كتابة مخططنا الجيني. آليات التوصيل التي تستهدف أعضاء أو أنسجة معينة آخذة في الارتفاع. لكن الكروموسومات الاصطناعية ربما تستعيد بعض الأضواء.
على عكس الناقلات الفيروسية، وهي وسيلة التوصيل الأكثر استخدامًا للعلاجات الجينية أو محررات الجينات، لا تستطيع الكروموسومات الاصطناعية أن تدخل إلى الجينوم الخاص بنا وتعطل التعبير الجيني الطبيعي، مما يجعلها أكثر أمانًا بكثير.
التكنولوجيا لديها نقاط الضعف بالرغم من ذلك. لا تزال الكروموسومات المهندسة تُفقد غالبًا عندما تنقسم الخلايا. الجينات الاصطناعية الموضوعة بالقرب من السنترومير - "زر" الكروموسوم - قد تعطل أيضًا قدرة الكروموسوم الاصطناعي على التكاثر والانفصال عندما تنقسم الخلايا.
لكن بالنسبة لداو، فإن الدراسة لها آثار أكبر من الخلايا البشرية وحدها. يمكن استخدام مبادئ إعادة هندسة السنتروميرات الموضحة في هذه الدراسة في الخميرة ومن المحتمل أن تكون "قابلة للتطبيق عبر ممالك" الكائنات الحية.
ويمكن لهذه الطريقة أن تساعد العلماء على وضع نماذج أفضل للأمراض البشرية أو إنتاج الأدوية واللقاحات. وعلى نطاق أوسع، كتب: "قد يكون من الممكن قريبًا إدراج الكروموسومات الاصطناعية كجزء من مجموعة أدوات موسعة لمواجهة التحديات العالمية المتعلقة بالرعاية الصحية والثروة الحيوانية وإنتاج الغذاء والألياف".
الصورة الائتمان: وارن أوموه / Unsplash
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/
