השרטוט הגנטי של האדם הוא פשוט בצורה מטעה. הגנים שלנו כרוכים בחוזקה ל-46 מבנים בצורת X הנקראים כרומוזומים. נוצרו על ידי האבולוציה, הם נושאים DNA ומשתכפלים כאשר תאים מתחלקים, מה שמבטיח את היציבות של הגנום שלנו לאורך דורות.
ב-1997, מחקר טרפד את ספר המשחקים של האבולוציה. בפעם הראשונה, צוות יצר כרומוזום אנושי מלאכותי באמצעות הנדסה גנטית. כאשר נמסר לתא אנושי בצלחת פטרי, הכרומוזום המלאכותי התנהג בדומה לעמיתיו הטבעיים. הוא השתכפל כשהתאים התחלקו, מה שהוביל לתאים אנושיים עם 47 כרומוזומים.
תהיו בטוחים, המטרה לא הייתה לפתח באופן מלאכותי את המין שלנו. במקום זאת, כרומוזומים מלאכותיים יכולים לשמש לשאת נתחים גדולים של חומר גנטי אנושי או כלי עריכת גנים לתוך התאים. בהשוואה למערכות מסירה נוכחיות - נשאי וירוסים או ננו-חלקיקים - כרומוזומים מלאכותיים יכולים לשלב הרבה יותר DNA סינתטי.
בתיאוריה, הם יכולים להיות מתוכננים כדי להעביר גנים טיפוליים לאנשים עם הפרעות גנטיות או להוסיף גנים מגנים מפני סרטן.
אולם למרות למעלה משני עשורים של מחקר, הטכנולוגיה עדיין לא נכנסה למיינסטרים. אתגר אחד הוא שמקטעי ה-DNA הקצרים המתחברים ליצירת הכרומוזומים נדבקים זה לזה פעם אחת בתוך תאים, מה שמקשה לחזות כיצד הגנים יתנהגו.
בחודש זה, מחקר חדש מאוניברסיטת פנסילבניה שינו את המתכון בן ה-25 ובנו דור חדש של כרומוזומים מלאכותיים. בהשוואה לקודמיהם, קל יותר להנדס את הכרומוזומים החדשים ומשתמשים במקטעי DNA ארוכים יותר שאינם מתקבצים פעם אחת בתוך תאים. הם גם נשא גדול, שבתיאוריה יכול להעביר חומר גנטי בערך בגודל של כרומוזום השמרים הגדול ביותר לתוך תאים אנושיים.
"בעיקרון, עשינו שיפוץ מלא של הגישה הישנה לעיצוב ואספקה של HAC [כרומוזום מלאכותי אנושי]", מחבר המחקר ד"ר בן בלאק אמר בהודעה לעיתונות.
"העבודה עשויה להמריץ מחדש את המאמצים להנדס כרומוזומים מלאכותיים גם בבעלי חיים וגם בצמחים", כתב ד"ר ר' קלי דאו מאוניברסיטת ג'ורג'יה, שלא היה מעורב במחקר.
צורה שלך
מאז 1997, גנומים מלאכותיים הפכו לביוטכנולוגיה מבוססת. הם שימשו לשכתוב DNA בחיידקים, שמרים וצמחים, וכתוצאה מכך נוצרו תאים שיכולים לסנתז תרופות מצילות חיים או לאכול פלסטיק. הם יכולים גם לעזור למדענים להבין טוב יותר את הפונקציות של רצפי ה-DNA המסתוריים הפזורים ברחבי הגנום שלנו.
הטכנולוגיה הביאה גם את האורגניזמים הסינתטיים הראשונים. בסוף 2023, מדענים חשפו תאי שמרים עם מחצית הגנים שלהם מוחלפים ב-DNA מלאכותי - הצוות מקווה בסופו של דבר להתאים אישית כל כרומוזום בודד. מוקדם יותר השנה, במחקר אחר חלקים מחודשים של הכרומוזום של הצמח, דוחפים עוד יותר את הגבולות של אורגניזמים סינתטיים.
ועל ידי התעסקות במבנים של כרומוזומים - למשל, חיתוך אזורים חשודים חסרי תועלת - נוכל להבין טוב יותר כיצד הם פועלים בדרך כלל, מה שעלול להוביל לטיפולים במחלות.
המטרה של בניית כרומוזומים מלאכותיים אנושיים היא לא להנדס תאים אנושיים סינתטיים. במקום זאת, העבודה נועדה לקדם את הטיפול הגנטי. השיטות הנוכחיות לנשיאת גנים טיפוליים או כלי עריכת גנים לתאים מסתמכות על וירוסים או ננו-חלקיקים. אבל למובילים האלה יש יכולת מטען מוגבלת.
אם כלי ההובלה הנוכחיים הם כמו סירות מפרש, כרומוזומים מלאכותיים של בני אדם הם כמו ספינות משא, עם יכולת לשאת מגוון גדול ורחב בהרבה של גנים.
הבעיה? קשה לבנות אותם. שלא כמו חיידקים או כרומוזומי שמרים, שצורתם עגולה, הכרומוזומים שלנו הם כמו "X". במרכז כל אחד מהם נמצא רכזת חלבון הנקראת צנטרומר המאפשרת לכרומוזום להיפרד ולהשתכפל כאשר התא מתחלק.
במובן מסוים, הצנטרומר הוא כמו כפתור ששומר על קרעים של חתיכות בד - זרועות הכרומוזום - ללא פגע. מאמצים קודמים לבניית כרומוזומים מלאכותיים אנושיים התמקדו במבנים אלה, תוך חילוץ אותיות DNA שיכולות לבטא חלבונים בתוך תאים אנושיים כדי לעגן את הכרומוזומים. עם זאת, רצפי ה-DNA הללו תפסו את עצמם במהירות כמו סרט דו צדדי, והסתיימו בכדורים שהקשו על תאים לגשת לגנים שנוספו.
סיבה אחת יכולה להיות שרצפי ה-DNA הסינתטיים היו קצרים מדי, מה שהופך את מרכיבי המיני-כרומוזומים ללא אמינים. המחקר החדש בדק את הרעיון על ידי הנדסת מכלול כרומוזומים אנושי גדול בהרבה מבעבר.
שמונה הוא מספר המזל
במקום כרומוזום בצורת X, הצוות עיצב את הכרומוזום המלאכותי האנושי שלהם כמעגל, התואם לשכפול בשמרים. העיגול ארוז 760,000 צמדי אותיות DNA - בערך 1/200 בגודל של כרומוזום אנושי שלם.
בתוך המעגל היו הוראות גנטיות ליצור צנטרומר חזק יותר - ה"כפתור" ששומר על מבנה הכרומוזום שלם ויכול לגרום לו לשכפל. לאחר ביטוי בתוך תא שמרים, הכפתור גייס את המנגנון המולקולרי של השמרים כדי לבנות כרומוזום מלאכותי אנושי בריא.
בצורתו המעגלית הראשונית בתאי שמרים, ניתן היה להעביר את הכרומוזום האנושי הסינתטי ישירות לתאים אנושיים באמצעות תהליך הנקרא היתוך תאים. מדענים הסירו את ה"עטיפות" סביב תאי השמרים בטיפולים כימיים, מה שאיפשר למרכיבי התאים - כולל הכרומוזום המלאכותי - להתמזג ישירות לתוך תאים אנושיים בתוך צלחות פטרי.
כמו חוצנים מיטיבים, הכרומוזומים הסינתטיים שנוספו השתלבו בשמחה בתאי המארח האנושיים שלהם. במקום להתקבץ לפסולת מזיקה, העיגולים הכפילו את עצמם לצורת שמונה, כאשר הצנטרומר מחזיק את העיגולים יחד. הכרומוזומים המלאכותיים התקיימו בשמחה יחד עם כרומוזומים מקומיים בצורת X, מבלי לשנות את התפקודים הרגילים שלהם.
עבור ריפוי גנטי, חיוני שכל גנים נוספים יישארו בתוך הגוף גם כשהתאים מתחלקים. הטבה זו חשובה במיוחד עבור תאים המתחלקים במהירות כמו סרטן, שיכולים להסתגל במהירות לטיפולים. אם כרומוזום סינתטי עמוס בגנים ידועים שמדכאים סרטן, הוא עלול לשמור על סרטן ומחלות אחרות לאורך דורות של תאים.
הכרומוזומים המלאכותיים של האדם עברו את המבחן. הם גייסו חלבונים מתאי המארח האנושיים כדי לעזור להם להתפשט כשהתאים מתחלקים, ובכך שימרו את הגנים המלאכותיים לאורך דורות.
תקומה
הרבה השתנה מאז הכרומוזומים המלאכותיים האנושיים הראשונים.
כלי עריכת גנים, כמו CRISPR, הקלו על שכתוב התוכנית הגנטית שלנו. מנגנוני לידה המכוונים לאיברים או רקמות ספציפיים נמצאים במגמת עלייה. אבל כרומוזומים סינתטיים עשויים להחזיר חלק מאור הזרקורים.
בניגוד לנשאים ויראליים, כלי המסירה הנפוצים ביותר עבור טיפולים גנים או עורכי גנים, כרומוזומים מלאכותיים אינם יכולים להיכנס לתוך הגנום שלנו ולשבש ביטוי גנים נורמלי - מה שהופך אותם להרבה יותר בטוחים.
עם זאת, לטכנולוגיה יש נקודות תורפה. הכרומוזומים המהונדסים עדיין הולכים לאיבוד לעתים קרובות כאשר תאים מתחלקים. גנים סינתטיים הממוקמים ליד הצנטרומר - ה"כפתור" של הכרומוזום - עלולים גם לשבש את יכולתו של הכרומוזום המלאכותי להשתכפל ולהיפרד כאשר תאים מתחלקים.
אבל לדייו, למחקר יש השלכות גדולות יותר מאשר תאים אנושיים בלבד. העקרונות של הנדסה מחדש של צנטרומרים המוצגים במחקר זה יכולים לשמש עבור שמרים ועשויים להיות "ישימים על פני ממלכות" של אורגניזמים חיים.
השיטה יכולה לעזור למדענים לדגמן טוב יותר מחלות אנושיות או לייצר תרופות וחיסונים. באופן רחב יותר, "ייתכן שבקרוב יהיה אפשרי לכלול כרומוזומים מלאכותיים כחלק מערך כלים מתרחב להתמודדות עם אתגרים גלובליים הקשורים לבריאות, משק חי וייצור מזון וסיבים", כתב.
תמונת אשראי: וורן אומו / Unsplash
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/
