Den menneskelige genetiske planen er villedende enkel. Genene våre er tett viklet inn i 46 X-formede strukturer kalt kromosomer. Laget av evolusjon, bærer de DNA og replikerer når cellene deler seg, noe som sikrer stabiliteten til genomet vårt over generasjoner.

I 1997 torpederte en studie evolusjonens lekebok. For første gang, laget et team et kunstig menneskelig kromosom ved hjelp av genteknologi. Når det ble levert inn i en menneskelig celle i en petriskål, oppførte det kunstige kromosomet seg omtrent som sine naturlige motstykker. Det replikerte seg ettersom celler delte seg, noe som førte til menneskelige celler med 47 kromosomer.

Vær trygg, målet var ikke å kunstig utvikle arten vår. Snarere kan kunstige kromosomer brukes til å frakte store biter av menneskelig genetisk materiale eller genredigeringsverktøy inn i celler. Sammenlignet med dagens leveringssystemer – virusbærere eller nanopartikler – kan kunstige kromosomer inkorporere langt mer syntetisk DNA.

I teorien kan de være designet for å overføre terapeutiske gener til mennesker med genetiske lidelser eller legge til beskyttende mot kreft.

Til tross for over to tiår med forskning, har teknologien ennå ikke kommet inn i mainstream. En utfordring er at de korte DNA-segmentene som kobles sammen for å danne kromosomene holder seg sammen en gang inne i cellene, noe som gjør det vanskelig å forutsi hvordan genene vil oppføre seg.

Denne måneden en ny studie fra University of Pennsylvania endret den 25 år gamle oppskriften og bygget en ny generasjon kunstige kromosomer. Sammenlignet med sine forgjengere er de nye kromosomene lettere å konstruere og bruker lengre DNA-segmenter som ikke klumper seg en gang inne i cellene. De er også en stor bærer, som i teorien kan transportere genetisk materiale omtrent på størrelse med det største gjærkromosomet inn i menneskelige celler.

"I hovedsak gjorde vi en fullstendig overhaling av den gamle tilnærmingen til HAC [menneskelig kunstig kromosom] design og levering," studieforfatter Dr. Ben Black sa i en pressemelding.

"Arbeidet vil sannsynligvis gjenopplive innsatsen for å konstruere kunstige kromosomer i både dyr og planter," skrev University of Georgias Dr. R. Kelly Dawe, som ikke var involvert i studien.

Form av deg

Siden 1997 har kunstige genomer blitt en etablert bioteknologi. De har blitt brukt til å omskrive DNA i bakterier, gjær og planter, noe som resulterer i celler som kan syntetisere livreddende medisiner eller spise plastikk. De kan også hjelpe forskere til å bedre forstå funksjonene til de mystiske DNA-sekvensene som er strødd gjennom genomet vårt.

Teknologien førte også til de første syntetiske organismene. På slutten av 2023, forskere avslørte gjærceller med halvparten av genene erstattet av kunstig DNA – teamet håper å til slutt tilpasse hvert eneste kromosom. Tidligere i år, en annen studie omarbeidet deler av en plantes kromosom, noe som ytterligere skyver grensene til syntetiske organismer.

Og ved å fikle med strukturene til kromosomer – for eksempel å kutte av mistenkte ubrukelige områder – kan vi bedre forstå hvordan de normalt fungerer, og potensielt føre til behandlinger for sykdommer.

Målet med å bygge menneskelige kunstige kromosomer er ikke å konstruere syntetiske menneskelige celler. Snarere er arbeidet ment å fremme genterapi. Nåværende metoder for å bære terapeutiske gener eller genredigeringsverktøy inn i celler er avhengige av virus eller nanopartikler. Men disse transportørene har begrenset lastekapasitet.

Hvis nåværende leveringskjøretøyer er som seilbåter, er kunstige menneskelige kromosomer som lasteskip, med kapasitet til å bære et langt større og bredere spekter av gener.

Problemet? De er vanskelige å bygge. I motsetning til bakterier eller gjærkromosomer, som er sirkulære i form, er kromosomene våre som en "X". I midten av hver er en proteinhub kalt sentromeren som lar kromosomet separere og replikere når en celle deler seg.

På en måte er sentromeren som en knapp som holder frynsete stoffstykker – armene til kromosomet – intakte. Tidligere forsøk på å bygge menneskelige kunstige kromosomer fokuserte på disse strukturene, ved å trekke ut DNA-bokstaver som kunne uttrykke proteiner inne i menneskelige celler for å forankre kromosomene. Imidlertid grep disse DNA-sekvensene seg raskt som dobbeltsidig tape, og endte i kuler som gjorde det vanskelig for cellene å få tilgang til de tilførte genene.

En årsak kan være at de syntetiske DNA-sekvensene var for korte, noe som gjorde minikromosomkomponentene upålitelige. Den nye studien testet ideen ved å konstruere en langt større menneskelig kromosomsammenstilling enn før.

Åtte er lykketallet

I stedet for et X-formet kromosom, designet teamet sitt menneskelige kunstige kromosom som en sirkel, som er kompatibel med replikering i gjær. Sirkelen pakket en heftig 760,000 1 DNA-bokstavpar - omtrent 200/XNUMX på størrelse med et helt menneskelig kromosom.

Inne i sirkelen var det genetiske instruksjoner for å lage en kraftigere sentromer - "knappen" som holder kromosomstrukturen intakt og kan få den til å replikere. En gang uttrykt inne i en gjærcelle, rekrutterte knappen gjærens molekylære maskineri for å bygge et sunt menneskelig kunstig kromosom.

I sin opprinnelige sirkulære form i gjærceller, kan det syntetiske menneskelige kromosomet deretter sendes direkte inn i menneskelige celler gjennom en prosess som kalles cellefusjon. Forskere fjernet "innpakningene" rundt gjærceller med kjemiske behandlinger, slik at cellenes komponenter - inkludert det kunstige kromosomet - kan smelte direkte inn i menneskelige celler inne i petriskåler.

Som velvillige utenomjordiske vesener, integrerte de tilførte syntetiske kromosomene lykkelig i deres menneskelige vertsceller. I stedet for å klumpe seg sammen til skadelig rusk, doblet sirklene seg til en åttefigur, med sentromeren som holdt sirklene sammen. De kunstige kromosomene eksisterte lykkelig sammen med innfødte X-formede, uten å endre deres normale funksjoner.

For genterapi er det viktig at eventuelle tilførte gener forblir inne i kroppen selv når cellene deler seg. Denne fordelen er spesielt viktig for raskt-delende celler som kreft, som raskt kan tilpasse seg terapier. Hvis et syntetisk kromosom er fullpakket med kjente kreft-undertrykkende gener, kan det holde kreft og andre sykdommer i sjakk gjennom generasjoner av celler.

De kunstige menneskelige kromosomene besto testen. De rekrutterte proteiner fra de menneskelige vertscellene for å hjelpe dem med å spre seg etter hvert som cellene delte seg, og dermed bevare de kunstige genene over generasjoner.

En vekkelse

Mye har endret seg siden de første menneskelige kunstige kromosomene.

Genredigeringsverktøy, som CRISPR, har gjort det lettere å omskrive vår genetiske plan. Leveringsmekanismer som retter seg mot spesifikke organer eller vev er på vei oppover. Men syntetiske kromosomer kan gjenvinne noe av søkelyset.

I motsetning til virusbærere, den oftest brukte leveringsbæreren for genterapier eller genredigerere, kan ikke kunstige kromosomer gå inn i genomet vårt og forstyrre normalt genuttrykk – noe som gjør dem potensielt langt tryggere.

Teknologien har imidlertid sårbarheter. De konstruerte kromosomene går fortsatt ofte tapt når cellene deler seg. Syntetiske gener plassert nær sentromeren - "knappen" på kromosomet - kan også forstyrre det kunstige kromosomets evne til å replikere og separere når celler deler seg.

Men for Dawe har studien større implikasjoner enn menneskelige celler alene. Prinsippene for rekonstruksjon av sentromerer vist i denne studien kan brukes for gjær og potensielt være "anvendbare på tvers av riker" av levende organismer.

Metoden kan hjelpe forskere til å bedre modellere menneskelige sykdommer eller produsere medisiner og vaksiner. Mer generelt: "Det kan snart være mulig å inkludere kunstige kromosomer som en del av et ekspanderende verktøysett for å møte globale utfordringer knyttet til helsevesen, husdyr og produksjon av mat og fiber," skrev han.

Bilde Credit: Warren Umoh / Unsplash

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/