Το ανθρώπινο γενετικό σχέδιο είναι απατηλά απλό. Τα γονίδιά μας είναι σφιχτά τυλιγμένα σε 46 δομές σε σχήμα Χ που ονομάζονται χρωμοσώματα. Κατασκευασμένα από την εξέλιξη, φέρουν DNA και αναπαράγονται όταν τα κύτταρα διαιρούνται, διασφαλίζοντας τη σταθερότητα του γονιδιώματός μας για γενιές.

Το 1997, μια μελέτη τορπίλισε το βιβλίο της εξέλιξης. Για πρώτη φορά, μια ομάδα δημιούργησε ένα τεχνητό ανθρώπινο χρωμόσωμα χρησιμοποιώντας γενετική μηχανική. Όταν μεταφέρθηκε σε ένα ανθρώπινο κύτταρο σε ένα τρυβλίο Petri, το τεχνητό χρωμόσωμα συμπεριφέρθηκε πολύ όπως τα φυσικά του αντίστοιχα. Αναπαράγεται καθώς τα κύτταρα διαιρούνται, οδηγώντας σε ανθρώπινα κύτταρα με 47 χρωμοσώματα.

Να είστε βέβαιοι, ο στόχος δεν ήταν να εξελίξουμε τεχνητά το είδος μας. Αντίθετα, τα τεχνητά χρωμοσώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά μεγάλων κομματιών ανθρώπινου γενετικού υλικού ή εργαλείων γονιδιακής επεξεργασίας στα κύτταρα. Σε σύγκριση με τα τρέχοντα συστήματα παροχής - φορείς ιών ή νανοσωματίδια - τα τεχνητά χρωμοσώματα μπορούν να ενσωματώσουν πολύ περισσότερο συνθετικό DNA.

Θεωρητικά, θα μπορούσαν να σχεδιαστούν για να μεταφέρουν θεραπευτικά γονίδια σε άτομα με γενετικές διαταραχές ή να προσθέσουν προστατευτικά γονίδια κατά του καρκίνου.

Ωστόσο, παρά τις περισσότερες από δύο δεκαετίες έρευνας, η τεχνολογία δεν έχει ακόμη εισέλθει στην επικρατούσα τάση. Μια πρόκληση είναι ότι τα μικρά τμήματα DNA που συνδέονται για να σχηματίσουν τα χρωμοσώματα κολλάνε μεταξύ τους μόλις εισέλθουν στα κύτταρα, καθιστώντας δύσκολη την πρόβλεψη του πώς θα συμπεριφερθούν τα γονίδια.

Αυτο το μηνα, μια νέα μελέτη από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια άλλαξε την 25χρονη συνταγή και κατασκεύασε μια νέα γενιά τεχνητών χρωμοσωμάτων. Σε σύγκριση με τους προκατόχους τους, τα νέα χρωμοσώματα είναι πιο εύκολο να κατασκευαστούν και χρησιμοποιούν μακρύτερα τμήματα DNA που δεν συσσωρεύονται μέσα στα κύτταρα. Είναι επίσης ένας μεγάλος φορέας, ο οποίος θεωρητικά θα μπορούσε να μεταφέρει γενετικό υλικό περίπου στο μέγεθος του μεγαλύτερου χρωμοσώματος ζύμης στα ανθρώπινα κύτταρα.

«Ουσιαστικά, κάναμε μια πλήρη αναθεώρηση της παλιάς προσέγγισης στο σχεδιασμό και την παράδοση HAC [ανθρώπινο τεχνητό χρωμόσωμα]», ο συγγραφέας της μελέτης Dr. Ben Black είπε σε δελτίο Τύπου.

«Το έργο είναι πιθανό να αναζωογονήσει τις προσπάθειες για την κατασκευή τεχνητών χρωμοσωμάτων τόσο σε ζώα όσο και σε φυτά». Έγραψε ο Δρ. R. Kelly Dawe του Πανεπιστημίου της Τζόρτζια, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Σχήμα του Σας

Από το 1997, τα τεχνητά γονιδιώματα έχουν γίνει μια καθιερωμένη βιοτεχνολογία. Έχουν χρησιμοποιηθεί για την επανεγγραφή του DNA σε βακτήρια, ζυμομύκητες και φυτά, με αποτέλεσμα κύτταρα που μπορούν να συνθέσουν σωτήρια φάρμακα ή φάτε πλαστικό. Θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τις λειτουργίες των μυστηριωδών αλληλουχιών DNA που βρίσκονται σε όλο το γονιδίωμά μας.

Η τεχνολογία έφερε επίσης τους πρώτους συνθετικούς οργανισμούς. Στα τέλη του 2023, οι επιστήμονες αποκάλυψαν κύτταρα ζύμης με τα μισά γονίδιά τους να αντικατασταθούν από τεχνητό DNA - η ομάδα ελπίζει να προσαρμόσει τελικά κάθε μεμονωμένο χρωμόσωμα. Νωρίτερα φέτος, μια άλλη μελέτη επανεπεξεργασμένα μέρη του χρωμοσώματος ενός φυτού, πιέζοντας περαιτέρω τα όρια των συνθετικών οργανισμών.

Και ανακατεύοντας τις δομές των χρωμοσωμάτων -για παράδειγμα, κόβοντας ύποπτες άχρηστες περιοχές- μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα πώς λειτουργούν κανονικά, οδηγώντας ενδεχομένως σε θεραπείες για ασθένειες.

Ο στόχος της κατασκευής ανθρώπινων τεχνητών χρωμοσωμάτων δεν είναι η κατασκευή συνθετικών ανθρώπινων κυττάρων. Αντίθετα, η εργασία έχει ως στόχο την προώθηση της γονιδιακής θεραπείας. Οι τρέχουσες μέθοδοι για τη μεταφορά θεραπευτικών γονιδίων ή εργαλείων γονιδιακής επεξεργασίας σε κύτταρα βασίζονται σε ιούς ή νανοσωματίδια. Αλλά αυτοί οι μεταφορείς έχουν περιορισμένη χωρητικότητα φορτίου.

Εάν τα τρέχοντα οχήματα παράδοσης είναι σαν τα ιστιοφόρα, τα τεχνητά ανθρώπινα χρωμοσώματα είναι σαν τα φορτηγά πλοία, με την ικανότητα να μεταφέρουν ένα πολύ μεγαλύτερο και ευρύτερο φάσμα γονιδίων.

Το πρόβλημα? Είναι δύσκολο να κατασκευαστούν. Σε αντίθεση με τα βακτήρια ή τα χρωμοσώματα ζύμης, τα οποία έχουν κυκλικό σχήμα, τα χρωμοσώματά μας είναι σαν ένα «Χ». Στο κέντρο του καθενός υπάρχει ένας πρωτεϊνικός κόμβος που ονομάζεται κεντρομερές που επιτρέπει στο χρωμόσωμα να διαχωριστεί και να αναπαραχθεί όταν ένα κύτταρο διαιρείται.

Κατά κάποιο τρόπο, το κεντρομερίδιο είναι σαν ένα κουμπί που διατηρεί άθικτα κομμάτια υφάσματος -τους βραχίονες του χρωμοσώματος- να ξεφτίζουν. Προηγούμενες προσπάθειες για την κατασκευή ανθρώπινων τεχνητών χρωμοσωμάτων επικεντρώθηκαν σε αυτές τις δομές, εξάγοντας γράμματα DNA που θα μπορούσαν να εκφράσουν πρωτεΐνες μέσα στα ανθρώπινα κύτταρα για να αγκυρώσουν τα χρωμοσώματα. Ωστόσο, αυτές οι αλληλουχίες DNA έπιασαν γρήγορα τον εαυτό τους σαν ταινία διπλής όψης, καταλήγοντας σε μπάλες που καθιστούσαν δύσκολη την πρόσβαση των κυττάρων στα προστιθέμενα γονίδια.

Ένας λόγος θα μπορούσε να είναι ότι οι συνθετικές αλληλουχίες DNA ήταν πολύ μικρές, καθιστώντας τα στοιχεία του μίνι-χρωμοσώματος αναξιόπιστα. Η νέα μελέτη εξέτασε την ιδέα κατασκευάζοντας ένα πολύ μεγαλύτερο συγκρότημα ανθρώπινου χρωμοσώματος από πριν.

Το οκτώ είναι ο τυχερός αριθμός

Αντί για ένα χρωμόσωμα σε σχήμα Χ, η ομάδα σχεδίασε το ανθρώπινο τεχνητό χρωμόσωμα ως κύκλο, ο οποίος είναι συμβατός με την αντιγραφή στη ζύμη. Ο κύκλος περιείχε 760,000 ζεύγη γραμμάτων DNA - περίπου το 1/200 του μεγέθους ενός ολόκληρου ανθρώπινου χρωμοσώματος.

Μέσα στον κύκλο υπήρχαν γενετικές οδηγίες για τη δημιουργία ενός πιο στιβαρού κεντρομερούς - το «κουμπί» που διατηρεί ανέπαφη τη δομή του χρωμοσώματος και μπορεί να το κάνει να αναπαραχθεί. Μόλις εκφραστεί μέσα σε ένα κύτταρο ζύμης, το κουμπί στρατολόγησε τον μοριακό μηχανισμό της ζύμης για να φτιάξει ένα υγιές ανθρώπινο τεχνητό χρωμόσωμα.

Στην αρχική του κυκλική μορφή σε κύτταρα ζυμομύκητα, το συνθετικό ανθρώπινο χρωμόσωμα θα μπορούσε στη συνέχεια να περάσει απευθείας στα ανθρώπινα κύτταρα μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται σύντηξη κυττάρων. Οι επιστήμονες αφαίρεσαν τα «περιτυλίγματα» γύρω από τα κύτταρα ζύμης με χημικές επεξεργασίες, επιτρέποντας στα συστατικά των κυττάρων - συμπεριλαμβανομένου του τεχνητού χρωμοσώματος - να συγχωνευθούν απευθείας στα ανθρώπινα κύτταρα μέσα σε τρυβλία Petri.

Όπως και οι καλοπροαίρετοι εξωγήινοι, τα προστιθέμενα συνθετικά χρωμοσώματα ενσωματώθηκαν ευτυχώς στα ανθρώπινα κύτταρα-ξενιστές τους. Αντί να συσσωρεύονται σε επιβλαβή συντρίμμια, οι κύκλοι διπλασιάστηκαν σε σχήμα οκτώ, με το κεντρομερές να συγκρατεί τους κύκλους μαζί. Τα τεχνητά χρωμοσώματα ευτυχώς συνυπήρχαν με εγγενή χρωμοσώματα σε σχήμα Χ, χωρίς να αλλάζουν οι φυσιολογικές τους λειτουργίες.

Για τη γονιδιακή θεραπεία, είναι σημαντικό τα τυχόν προστιθέμενα γονίδια να παραμένουν μέσα στο σώμα ακόμη και όταν τα κύτταρα διαιρούνται. Αυτό το προνόμιο είναι ιδιαίτερα σημαντικό για κύτταρα που διαιρούνται γρήγορα, όπως ο καρκίνος, τα οποία μπορούν να προσαρμοστούν γρήγορα στις θεραπείες. Εάν ένα συνθετικό χρωμόσωμα είναι γεμάτο με γνωστά γονίδια καταστολής του καρκίνου, θα μπορούσε να κρατήσει υπό έλεγχο τους καρκίνους και άλλες ασθένειες σε όλες τις γενιές κυττάρων.

Τα τεχνητά ανθρώπινα χρωμοσώματα πέρασαν το τεστ. Επιστράτευσαν πρωτεΐνες από τα ανθρώπινα κύτταρα-ξενιστές για να τα βοηθήσουν να εξαπλωθούν καθώς διαιρούνταν τα κύτταρα, διατηρώντας έτσι τα τεχνητά γονίδια για γενεές.

Μια Αναβίωση

Πολλά έχουν αλλάξει από τα πρώτα ανθρώπινα τεχνητά χρωμοσώματα.

Τα εργαλεία επεξεργασίας γονιδίων, όπως το CRISPR, έχουν διευκολύνει την επανεγγραφή του γενετικού μας σχεδίου. Οι μηχανισμοί χορήγησης που στοχεύουν συγκεκριμένα όργανα ή ιστούς βρίσκονται σε άνοδο. Αλλά τα συνθετικά χρωμοσώματα μπορεί να ανακτούν μέρος του ενδιαφέροντος.

Σε αντίθεση με τους φορείς ιών, το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο όχημα παροχής για γονιδιακές θεραπείες ή γονιδιακούς επεξεργαστές, τα τεχνητά χρωμοσώματα δεν μπορούν να εισέλθουν στο γονιδίωμά μας και να διαταράξουν τη φυσιολογική έκφραση των γονιδίων, καθιστώντας τα δυνητικά πολύ πιο ασφαλή.

Ωστόσο, η τεχνολογία έχει τρωτά σημεία. Τα τροποποιημένα χρωμοσώματα εξακολουθούν να χάνονται συχνά όταν τα κύτταρα διαιρούνται. Τα συνθετικά γονίδια που τοποθετούνται κοντά στο κεντρομερίδιο -το «κουμπί» του χρωμοσώματος- μπορεί επίσης να διαταράξουν την ικανότητα του τεχνητού χρωμοσώματος να αναπαραχθεί και να διαχωρίζεται όταν τα κύτταρα διαιρούνται.

Αλλά για τον Dawe, η μελέτη έχει μεγαλύτερες επιπτώσεις από τα ανθρώπινα κύτταρα μόνο. Οι αρχές της ανακατασκευής κεντρομερών που παρουσιάζονται σε αυτή τη μελέτη θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη ζύμη και ενδεχομένως να είναι «εφαρμόσιμες σε βασίλεια» ζωντανών οργανισμών.

Η μέθοδος θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να μοντελοποιήσουν καλύτερα τις ανθρώπινες ασθένειες ή να παράγουν φάρμακα και εμβόλια. Ευρύτερα, «ίσως είναι σύντομα δυνατό να συμπεριληφθούν τεχνητά χρωμοσώματα ως μέρος μιας επεκτεινόμενης εργαλειοθήκης για την αντιμετώπιση παγκόσμιων προκλήσεων που σχετίζονται με την υγειονομική περίθαλψη, την κτηνοτροφία και την παραγωγή τροφίμων και φυτικών ινών», έγραψε.

Image Credit: Warren Umoh / Unsplash

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/