Ihmisen geneettinen suunnitelma on harhaanjohtavan yksinkertainen. Geenimme on kietoutunut tiukasti 46 X-muotoiseen rakenteeseen, jota kutsutaan kromosomeiksi. Evoluution luomia ne kantavat DNA:ta ja replikoituvat solujen jakautuessa, mikä varmistaa genomimme vakauden sukupolvien ajan.

Vuonna 1997 tutkimus torpedoi evoluution pelikirjan. Ensimmäistä kertaa, ryhmä loi keinotekoisen ihmisen kromosomin geenitekniikan avulla. Kun keinotekoinen kromosomi toimitettiin ihmissoluun petrimaljassa, se käyttäytyi paljon kuin luonnolliset vastineensa. Se replikoitui solujen jakautuessa, mikä johti ihmissoluihin, joissa on 47 kromosomia.

Voit olla varma, että tavoitteena ei ollut kehittää lajiamme keinotekoisesti. Pikemminkin keinotekoisia kromosomeja voidaan käyttää kuljettamaan suuria paloja ihmisen geneettistä materiaalia tai geenien muokkaustyökaluja soluihin. Verrattuna nykyisiin kuljetusjärjestelmiin – viruskantajiin tai nanopartikkeleihin – keinotekoiset kromosomit voivat sisältää paljon enemmän synteettistä DNA:ta.

Teoriassa ne voitaisiin suunnitella siirtämään terapeuttisia geenejä ihmisille, joilla on geneettisiä häiriöitä, tai lisäämään syöpää vastaan ​​suojaavia geenejä.

Silti yli kahden vuosikymmenen tutkimuksesta huolimatta teknologia ei ole vielä tullut valtavirtaan. Yksi haaste on, että lyhyet DNA-segmentit, jotka liittyvät toisiinsa muodostaen kromosomeja, tarttuvat yhteen kerran solujen sisällä, mikä tekee vaikeaksi ennustaa, kuinka geenit käyttäytyvät.

Tässä kuussa, uusi tutkimus Pennsylvanian yliopistosta muutti 25 vuotta vanhaa reseptiä ja rakensi uuden sukupolven keinotekoisia kromosomeja. Verrattuna edeltäjiinsä uudet kromosomit ovat helpompia suunnitella ja käyttävät pidempiä DNA-segmenttejä, jotka eivät kasaudu solujen sisään. Ne ovat myös suuri kantaja, joka teoriassa voisi siirtää suunnilleen suurimman hiivan kromosomin kokoista geneettistä materiaalia ihmisen soluihin.

"Periaatteessa teimme täydellisen uudistuksen vanhasta lähestymistavasta HAC:n [ihmisen keinotekoisen kromosomin] suunnitteluun ja toimittamiseen", tutkimuksen kirjoittaja tohtori Ben Black sanoi lehdistötiedotteessa.

"Työ todennäköisesti elvyttää ponnisteluja keinotekoisten kromosomien suunnittelussa sekä eläimissä että kasveissa." kirjoitti Georgian yliopiston tohtori R. Kelly Dawe, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.

Sinun muoto

Vuodesta 1997 lähtien keinotekoisista genomeista on tullut vakiintunut biotekniikka. Niitä on käytetty DNA:n uudelleenkirjoittamiseen bakteereissa, hiivassa ja kasveissa, mikä on johtanut soluihin, jotka voivat syntetisoida hengenpelastuslääkkeitä tai syö muovia. Ne voisivat myös auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin genomissamme peittävien salaperäisten DNA-sekvenssien toimintoja.

Tekniikka toi myös ensimmäiset synteettiset organismit. Vuoden 2023 lopulla tutkijat paljastivat hiivasolut puolet heidän geeneistään korvataan keinotekoisella DNA:lla – tiimi toivoo voivansa lopulta muokata jokaista kromosomia. Aikaisemmin tänä vuonna, toisessa tutkimuksessa kasvin kromosomin uudelleenkäsitellyt osat, mikä lisää synteettisten organismien rajoja.

Ja puuhailemalla kromosomien rakenteita – esimerkiksi leikkaamalla pois epäillyt hyödyttömät alueet – voimme ymmärtää paremmin, kuinka ne normaalisti toimivat, mikä saattaa johtaa sairauksien hoitoon.

Ihmisen keinotekoisten kromosomien rakentamisen tavoitteena ei ole luoda synteettisiä ihmissoluja. Pikemminkin työn tarkoituksena on edistää geeniterapiaa. Nykyiset menetelmät terapeuttisten geenien tai geenien muokkaustyökalujen kuljettamiseksi soluihin perustuvat viruksiin tai nanopartikkeleihin. Mutta näiden liikenteenharjoittajien rahtikapasiteetti on rajallinen.

Jos nykyiset jakeluajoneuvot ovat kuin purjeveneet, ihmisen keinotekoiset kromosomit ovat kuin rahtilaivoja, joilla on kyky kuljettaa paljon laajempaa ja laajempaa geenivalikoimaa.

Ongelma? Niitä on vaikea rakentaa. Toisin kuin bakteeri- tai hiivakromosomit, jotka ovat muodoltaan pyöreitä, kromosomimme ovat kuin "X". Jokaisen keskellä on sentromeeriksi kutsuttu proteiinikeskittymä, joka mahdollistaa kromosomin erottamisen ja replikoitumisen solun jakautuessa.

Sentromeeri on tavallaan kuin nappi, joka pitää rispaavat kangaspalat – kromosomin käsivarret – ehjinä. Aiemmat ponnistelut ihmisen keinotekoisten kromosomien rakentamiseksi keskittyivät näihin rakenteisiin, jolloin saatiin DNA-kirjaimia, jotka voisivat ilmentää proteiineja ihmissolujen sisällä kromosomien ankkuroimiseksi. Nämä DNA-sekvenssit tarttuivat kuitenkin nopeasti itseensä kuin kaksipuolinen teippi päätyen palloihin, jotka vaikeuttivat solujen pääsyä lisättyihin geeneihin.

Yksi syy voi olla, että synteettiset DNA-sekvenssit olivat liian lyhyitä, mikä teki minikromosomikomponenteista epäluotettavia. Uusi tutkimus testasi ideaa suunnittelemalla paljon suuremman ihmisen kromosomikokoonpanon kuin ennen.

Kahdeksan on onnennumero

X-muotoisen kromosomin sijaan ryhmä suunnitteli ihmisen keinotekoisen kromosomin ympyräksi, joka on yhteensopiva hiivassa tapahtuvan replikoinnin kanssa. Ympyrä pakkasi peräti 760,000 1 DNA-kirjainparia – noin 200/XNUMX koko ihmisen kromosomin kokoa.

Ympyrän sisällä oli geneettisiä ohjeita vahvemman sentromeerin tekemiseksi - "painike", joka pitää kromosomirakenteen ehjänä ja voi saada sen replikoitumaan. Kun painike oli ekspressoitu hiivasolun sisällä, se värväsi hiivan molekyylikoneiston terveen ihmisen keinotekoisen kromosomin rakentamiseksi.

Alkuperäisessä pyöreässä muodossaan hiivasoluissa ihmisen synteettinen kromosomi voitaisiin sitten siirtää suoraan ihmissoluihin solufuusioprosessin kautta. Tutkijat poistivat "kääreet" hiivasolujen ympäriltä kemiallisilla käsittelyillä, jolloin solujen komponentit – mukaan lukien keinotekoinen kromosomi – sulautuivat suoraan ihmissoluihin petrimaljoissa.

Kuten hyväntahtoiset maan ulkopuoliset eläimet, lisätyt synteettiset kromosomit integroituivat onnellisesti ihmisisäntäsoluihinsa. Sen sijaan, että ympyrät olisivat paakkuuntuneet haitallisiksi roskiksi, ne kaksinkertaistuivat kahdeksaslukuiseksi, ja sentromeeri piti ympyröitä yhdessä. Keinotekoiset kromosomit elivät onnellisesti rinnakkain alkuperäisten X-muotoisten kromosomien kanssa muuttamatta niiden normaaleja toimintoja.

Geeniterapiassa on välttämätöntä, että lisätyt geenit pysyvät kehon sisällä, vaikka solut jakautuvat. Tämä etu on erityisen tärkeä nopeasti jakautuville soluille, kuten syöpä, jotka voivat mukautua nopeasti hoitoihin. Jos synteettinen kromosomi on täynnä tunnettuja syöpää estäviä geenejä, se voi pitää syövät ja muut sairaudet kurissa läpi sukupolvien soluja.

Ihmisen keinotekoiset kromosomit läpäisivät testin. He rekrytoivat proteiineja ihmisen isäntäsoluista auttamaan niitä leviämään solujen jakautuessa ja säilyttämään näin keinotekoiset geenit sukupolvien ajan.

Herätys

Paljon on muuttunut ensimmäisten ihmisen keinotekoisten kromosomien jälkeen.

Geenien muokkaustyökalut, kuten CRISPR, ovat helpottaneet geneettisen suunnitelmamme uudelleenkirjoittamista. Tiettyihin elimiin tai kudoksiin kohdistuvat toimitusmekanismit ovat nousussa. Mutta synteettiset kromosomit saattavat saada takaisin osan valokeilasta.

Toisin kuin viruksen kantajat, jotka ovat yleisimmin käytetty välitysväline geeniterapioissa tai geenieditoreissa, keinotekoiset kromosomit eivät voi kulkeutua genomiin ja häiritä normaalia geenin ilmentymistä, mikä tekee niistä mahdollisesti paljon turvallisempia.

Tekniikassa on kuitenkin haavoittuvuuksia. Muokatut kromosomit menetetään edelleen usein solujen jakautuessa. Synteettiset geenit, jotka on sijoitettu lähelle sentromeeriä - kromosomin "painiketta" - voivat myös häiritä keinotekoisen kromosomin kykyä replikoitua ja erottua solujen jakautuessa.

Mutta Dawelle tutkimuksella on suurempi merkitys kuin ihmissoluilla yksinään. Tässä tutkimuksessa esitettyjä sentromeerien uudelleensuunnittelun periaatteita voitaisiin käyttää hiivaan, ja niitä voidaan mahdollisesti soveltaa elävien organismien valtakunnissa.

Menetelmä voisi auttaa tutkijoita mallintamaan paremmin ihmisten sairauksia tai valmistamaan lääkkeitä ja rokotteita. Laajemmin: "Pian saattaa olla mahdollista sisällyttää keinotekoiset kromosomit osaksi laajenevaa työkalupakkia, joka vastaa terveydenhuoltoon, karjaan sekä ruoan ja kuidun tuotantoon liittyviin maailmanlaajuisiin haasteisiin", hän kirjoitti.

Kuva pistetilanne: Warren Umoh / Unsplash

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/