मानव आनुवंशिक खाका भ्रामक रूप से सरल है। हमारे जीन 46 एक्स-आकार की संरचनाओं में कसकर बंधे होते हैं जिन्हें क्रोमोसोम कहा जाता है। विकास द्वारा तैयार किए गए, वे डीएनए ले जाते हैं और कोशिकाओं के विभाजित होने पर दोहराते हैं, जिससे पीढ़ियों तक हमारे जीनोम की स्थिरता सुनिश्चित होती है।
1997 में, एक अध्ययन टॉरपीडो इवोल्यूशन की प्लेबुक। पहली बारएक टीम ने आनुवंशिक इंजीनियरिंग का उपयोग करके एक कृत्रिम मानव गुणसूत्र बनाया। जब पेट्री डिश में मानव कोशिका में पहुंचाया गया, तो कृत्रिम गुणसूत्र अपने प्राकृतिक समकक्षों की तरह व्यवहार करता था। कोशिकाओं के विभाजित होने पर इसकी प्रतिकृति बनी, जिससे 47 गुणसूत्रों वाली मानव कोशिकाएं बनीं।
निश्चिंत रहें, लक्ष्य हमारी प्रजाति को कृत्रिम रूप से विकसित करना नहीं था। बल्कि, कृत्रिम गुणसूत्रों का उपयोग मानव आनुवंशिक सामग्री या जीन संपादन उपकरणों के बड़े हिस्से को कोशिकाओं में ले जाने के लिए किया जा सकता है। वर्तमान वितरण प्रणालियों की तुलना में - वायरस वाहक या नैनोकण - कृत्रिम गुणसूत्र कहीं अधिक सिंथेटिक डीएनए को शामिल कर सकते हैं।
सिद्धांत रूप में, उन्हें आनुवंशिक विकार वाले लोगों में चिकित्सीय जीन लाने या कैंसर के खिलाफ सुरक्षात्मक जीन जोड़ने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है।
फिर भी दो दशकों से अधिक के शोध के बावजूद, प्रौद्योगिकी अभी भी मुख्यधारा में प्रवेश नहीं कर पाई है। एक चुनौती यह है कि गुणसूत्र बनाने के लिए जुड़ने वाले छोटे डीएनए खंड कोशिकाओं के अंदर एक साथ चिपक जाते हैं, जिससे यह अनुमान लगाना मुश्किल हो जाता है कि जीन कैसे व्यवहार करेंगे।
इस महीने, एक नए अध्ययन पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय से 25 साल पुराने नुस्खे को बदल दिया और कृत्रिम गुणसूत्रों की एक नई पीढ़ी का निर्माण किया। अपने पूर्ववर्तियों की तुलना में, नए गुणसूत्रों को इंजीनियर करना आसान होता है और वे लंबे डीएनए खंडों का उपयोग करते हैं जो कोशिकाओं के अंदर एक बार चिपकते नहीं हैं। वे एक बड़े वाहक भी हैं, जो सैद्धांतिक रूप से सबसे बड़े यीस्ट क्रोमोसोम के आकार की आनुवंशिक सामग्री को मानव कोशिकाओं में ले जा सकते हैं।
अध्ययन के लेखक डॉ. बेन ब्लैक ने कहा, "अनिवार्य रूप से, हमने एचएसी [मानव कृत्रिम गुणसूत्र] डिजाइन और वितरण के पुराने दृष्टिकोण को पूरी तरह से बदल दिया है।" कहा एक प्रेस विज्ञप्ति में।
"इस कार्य से जानवरों और पौधों दोनों में कृत्रिम गुणसूत्रों को इंजीनियर करने के प्रयासों को फिर से मजबूत करने की संभावना है।" लिखा था जॉर्जिया विश्वविद्यालय के डॉ. आर. केली दावे, जो अध्ययन में शामिल नहीं थे।
आप का आकार
1997 से, कृत्रिम जीनोम एक स्थापित जैव प्रौद्योगिकी बन गया है। इनका उपयोग बैक्टीरिया, यीस्ट और पौधों में डीएनए को फिर से लिखने के लिए किया गया है, जिसके परिणामस्वरूप कोशिकाएं बनती हैं जो जीवन रक्षक दवाओं को संश्लेषित कर सकती हैं या प्लास्टिक खाओ. वे वैज्ञानिकों को हमारे जीनोम में फैले रहस्यमय डीएनए अनुक्रमों के कार्यों को बेहतर ढंग से समझने में भी मदद कर सकते हैं।
प्रौद्योगिकी ने पहले सिंथेटिक जीवों को भी जन्म दिया। 2023 के अंत में, वैज्ञानिक यीस्ट कोशिकाओं का पता चला उनके आधे जीनों को कृत्रिम डीएनए से बदल दिया गया है - टीम को उम्मीद है कि अंततः हर एक गुणसूत्र को अनुकूलित किया जा सकेगा। इस साल के पहले, एक अन्य अध्ययन पौधे के गुणसूत्र के हिस्सों को फिर से तैयार किया गया, जिससे सिंथेटिक जीवों की सीमाओं को और आगे बढ़ाया गया।
और गुणसूत्रों की संरचनाओं के साथ छेड़छाड़ करके - उदाहरण के लिए, संदिग्ध बेकार क्षेत्रों को काटकर - हम बेहतर ढंग से समझ सकते हैं कि वे सामान्य रूप से कैसे कार्य करते हैं, जिससे संभावित रूप से बीमारियों का इलाज हो सकता है।
मानव कृत्रिम गुणसूत्रों के निर्माण का लक्ष्य कृत्रिम मानव कोशिकाओं का निर्माण करना नहीं है। बल्कि, यह काम जीन थेरेपी को आगे बढ़ाने के लिए है। चिकित्सीय जीन या जीन संपादन उपकरण को कोशिकाओं में ले जाने की वर्तमान विधियाँ वायरस या नैनोकणों पर निर्भर करती हैं। लेकिन इन वाहकों की कार्गो क्षमता सीमित है।
यदि वर्तमान डिलीवरी वाहन सेलबोट की तरह हैं, तो कृत्रिम मानव गुणसूत्र मालवाहक जहाजों की तरह हैं, जिनमें जीन की एक बड़ी और विस्तृत श्रृंखला को ले जाने की क्षमता है।
समस्या? उन्हें बनाना कठिन है. बैक्टीरिया या यीस्ट गुणसूत्रों के विपरीत, जो आकार में गोलाकार होते हैं, हमारे गुणसूत्र "X" की तरह होते हैं। प्रत्येक के केंद्र में एक प्रोटीन हब होता है जिसे सेंट्रोमियर कहा जाता है जो कोशिका के विभाजित होने पर गुणसूत्र को अलग होने और दोहराने की अनुमति देता है।
एक तरह से, सेंट्रोमियर एक बटन की तरह होता है जो कपड़े के टुकड़ों को - गुणसूत्र की भुजाओं को - बरकरार रखता है। मानव कृत्रिम गुणसूत्रों के निर्माण के पहले के प्रयासों में इन संरचनाओं पर ध्यान केंद्रित किया गया था, डीएनए अक्षरों को निकाला गया था जो गुणसूत्रों को ठीक करने के लिए मानव कोशिकाओं के अंदर प्रोटीन को व्यक्त कर सकते थे। हालाँकि, ये डीएनए अनुक्रम तेजी से दो तरफा टेप की तरह खुद पर हावी हो गए, और गेंदों में समाप्त हो गए जिससे कोशिकाओं के लिए जोड़े गए जीन तक पहुंचना मुश्किल हो गया।
एक कारण यह हो सकता है कि सिंथेटिक डीएनए अनुक्रम बहुत छोटे थे, जिससे मिनी-क्रोमोसोम घटक अविश्वसनीय हो गए। नए अध्ययन ने पहले की तुलना में कहीं अधिक बड़े मानव गुणसूत्र संयोजन की इंजीनियरिंग करके इस विचार का परीक्षण किया।
आठ भाग्यशाली अंक है
एक्स-आकार के गुणसूत्र के बजाय, टीम ने अपने मानव कृत्रिम गुणसूत्र को एक चक्र के रूप में डिजाइन किया, जो खमीर में प्रतिकृति के साथ संगत है। सर्कल में 760,000 डीएनए अक्षर जोड़े भरे हुए हैं - पूरे मानव गुणसूत्र के आकार का लगभग 1/200।
सर्कल के अंदर एक मजबूत सेंट्रोमियर बनाने के लिए आनुवंशिक निर्देश थे - "बटन" जो गुणसूत्र संरचना को बरकरार रखता है और इसे दोहरा सकता है। एक बार यीस्ट कोशिका के अंदर व्यक्त होने के बाद, बटन ने एक स्वस्थ मानव कृत्रिम गुणसूत्र बनाने के लिए यीस्ट की आणविक मशीनरी को भर्ती किया।
यीस्ट कोशिकाओं में अपने प्रारंभिक गोलाकार रूप में, सिंथेटिक मानव गुणसूत्र को कोशिका संलयन नामक प्रक्रिया के माध्यम से सीधे मानव कोशिकाओं में पारित किया जा सकता है। वैज्ञानिकों ने रासायनिक उपचार के साथ खमीर कोशिकाओं के आसपास के "रैपर" को हटा दिया, जिससे कोशिकाओं के घटकों - कृत्रिम गुणसूत्र सहित - को पेट्री डिश के अंदर सीधे मानव कोशिकाओं में विलय करने की अनुमति मिल गई।
परोपकारी अलौकिक प्राणियों की तरह, जोड़े गए सिंथेटिक गुणसूत्र ख़ुशी से उनके मानव मेजबान कोशिकाओं में एकीकृत हो गए। हानिकारक मलबे में एकत्रित होने के बजाय, वृत्त दोगुने होकर आकृति-आठ आकार में बदल गए, सेंट्रोमियर ने वृत्तों को एक साथ पकड़ रखा था। कृत्रिम गुणसूत्र अपने सामान्य कार्यों को बदले बिना, देशी एक्स-आकार वाले गुणसूत्रों के साथ खुशी-खुशी सह-अस्तित्व में रहे।
जीन थेरेपी के लिए, यह आवश्यक है कि कोशिकाओं के विभाजित होने पर भी कोई भी अतिरिक्त जीन शरीर के अंदर बना रहे। यह लाभ कैंसर जैसी तेजी से विभाजित होने वाली कोशिकाओं के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जो तेजी से उपचारों के लिए अनुकूल हो सकती हैं। यदि एक सिंथेटिक गुणसूत्र ज्ञात कैंसर-दबाने वाले जीन से भरा हुआ है, तो यह कोशिकाओं की पीढ़ियों तक कैंसर और अन्य बीमारियों को नियंत्रित रख सकता है।
कृत्रिम मानव गुणसूत्र परीक्षण में उत्तीर्ण हुए। उन्होंने कोशिकाओं के विभाजित होने पर उन्हें फैलने में मदद करने के लिए मानव मेजबान कोशिकाओं से प्रोटीन की भर्ती की, इस प्रकार पीढ़ियों तक कृत्रिम जीन को संरक्षित किया गया।
एक पुनरुद्धार
पहले मानव कृत्रिम गुणसूत्रों के बाद से बहुत कुछ बदल गया है।
सीआरआईएसपीआर जैसे जीन संपादन उपकरण ने हमारे आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को फिर से लिखना आसान बना दिया है। विशिष्ट अंगों या ऊतकों को लक्षित करने वाले वितरण तंत्र बढ़ रहे हैं। लेकिन सिंथेटिक गुणसूत्र फिर से कुछ सुर्खियों में आ सकते हैं।
वायरल वाहकों के विपरीत, जीन थेरेपी या जीन संपादकों के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला डिलीवरी वाहन, कृत्रिम गुणसूत्र हमारे जीनोम में सुरंग नहीं बना सकते हैं और सामान्य जीन अभिव्यक्ति को बाधित नहीं कर सकते हैं - जिससे वे संभावित रूप से अधिक सुरक्षित हो जाते हैं।
हालाँकि प्रौद्योगिकी में कमजोरियाँ हैं। जब कोशिकाएँ विभाजित होती हैं तो इंजीनियर किए गए गुणसूत्र अभी भी अक्सर नष्ट हो जाते हैं। सेंट्रोमियर के पास रखे गए सिंथेटिक जीन - गुणसूत्र का "बटन" - कोशिकाओं के विभाजित होने पर कृत्रिम गुणसूत्र की प्रतिलिपि बनाने और अलग होने की क्षमता को भी बाधित कर सकते हैं।
लेकिन दाऊ के लिए, अध्ययन का अकेले मानव कोशिकाओं से भी बड़ा प्रभाव है। इस अध्ययन में दिखाए गए री-इंजीनियरिंग सेंट्रोमर्स के सिद्धांतों का उपयोग खमीर के लिए किया जा सकता है और संभावित रूप से जीवित जीवों के "राज्यों में लागू" हो सकता है।
यह विधि वैज्ञानिकों को मानव रोगों का बेहतर मॉडल बनाने या दवाओं और टीकों का उत्पादन करने में मदद कर सकती है। अधिक मोटे तौर पर, "स्वास्थ्य देखभाल, पशुधन और भोजन और फाइबर के उत्पादन से संबंधित वैश्विक चुनौतियों का समाधान करने के लिए एक विस्तारित टूलकिट के हिस्से के रूप में कृत्रिम गुणसूत्रों को शामिल करना जल्द ही संभव हो सकता है," उन्होंने लिखा।
छवि क्रेडिट: वॉरेन उमोह / Unsplash
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- स्रोत: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/
