Človeški genetski načrt je varljivo preprost. Naši geni so tesno zviti v 46 struktur v obliki črke X, imenovanih kromosomi. Ustvarjeni z evolucijo, nosijo DNK in se razmnožujejo, ko se celice delijo, kar zagotavlja stabilnost našega genoma skozi generacije.

Leta 1997 je študija omajala knjigo evolucije. Prvič, je skupina z uporabo genskega inženiringa ustvarila umetni človeški kromosom. Ko je bil umetni kromosom dostavljen v človeško celico v petrijevki, se je obnašal podobno kot njegovi naravni dvojniki. Repliciral se je, ko so se celice delile, kar je privedlo do človeških celic s 47 kromosomi.

Bodite prepričani, cilj ni bil umetno razviti našo vrsto. Umetne kromosome je mogoče uporabiti za prenašanje velikih kosov človeškega genskega materiala ali orodij za urejanje genov v celice. V primerjavi s sedanjimi sistemi dostave – nosilci virusov ali nanodelci – lahko umetni kromosomi vključujejo veliko več sintetične DNK.

Teoretično bi jih lahko oblikovali za prenos terapevtskih genov v ljudi z genetskimi motnjami ali za dodajanje zaščitnih genov proti raku.

Vendar kljub več kot dvema desetletjema raziskav tehnologija še ni prišla v mainstream. Eden od izzivov je, da se kratki segmenti DNK, ki se povezujejo v kromosome, zlepijo skupaj, ko se nahajajo v celicah, zaradi česar je težko predvideti, kako se bodo geni obnašali.

Ta mesec nova študija z Univerze v Pennsylvaniji spremenil 25 let star recept in zgradil novo generacijo umetnih kromosomov. V primerjavi s svojimi predhodniki je nove kromosome lažje oblikovati in uporabljajo daljše segmente DNK, ki se ne zlepijo v celicah. So tudi velik prenašalec, ki bi teoretično lahko prenesel genetski material v velikosti največjega kromosoma kvasovk v človeške celice.

"V bistvu smo naredili popolno prenovo starega pristopa k oblikovanju in dostavi HAC [človeškega umetnega kromosoma]," avtor študije dr. Ben Black je dejal v sporočilu za javnost.

"Delo bo verjetno oživilo prizadevanja za inženiring umetnih kromosomov pri živalih in rastlinah," Napisal dr. R. Kelly Dawe z univerze Georgia, ki ni bila vključena v študijo.

Oblika vas

Od leta 1997 so umetni genomi postali uveljavljena biotehnologija. Uporabili so jih za ponovno pisanje DNK v bakterijah, kvasovkah in rastlinah, kar je povzročilo celice, ki lahko sintetizirajo življenjska zdravila ali jesti plastiko. Prav tako bi lahko pomagali znanstvenikom bolje razumeti funkcije skrivnostnih zaporedij DNK, posejanih po našem genomu.

Tehnologija je prinesla tudi prve sintetične organizme. Konec leta 2023 so znanstveniki razkrile celice kvasovk s polovico njihovih genov zamenjanih z umetno DNK – ekipa upa, da bo sčasoma prilagodila vsak posamezni kromosom. V začetku tega leta, druga študija predelali dele rastlinskega kromosoma, s čimer še dodatno premikajo meje sintetičnih organizmov.

Če se poigravamo s strukturami kromosomov – na primer z odsekanjem domnevno neuporabnih regij – lahko bolje razumemo, kako običajno delujejo, kar lahko vodi do zdravljenja bolezni.

Cilj gradnje človeških umetnih kromosomov ni izdelava sintetičnih človeških celic. Namesto tega je delo namenjeno napredovanju genske terapije. Trenutne metode za prenašanje terapevtskih genov ali orodij za urejanje genov v celice temeljijo na virusih ali nanodelcih. Toda ti prevozniki imajo omejeno tovorno zmogljivost.

Če so sedanja dostavna vozila podobna jadrnicam, so umetni človeški kromosomi podobni tovornim ladjam, ki lahko prevažajo veliko večjo in širšo paleto genov.

Težava? Težko jih je zgraditi. Za razliko od kromosomov bakterij ali kvasovk, ki so okrogle oblike, so naši kromosomi kot "X". V središču vsakega je beljakovinsko središče, imenovano centromera, ki omogoča, da se kromosom loči in podvoji, ko se celica deli.

Na nek način je centromera kot gumb, ki ohranja obrabljene kose blaga – krake kromosoma – nedotaknjene. Prejšnja prizadevanja za izdelavo človeških umetnih kromosomov so bila osredotočena na te strukture, pridobivanje črk DNK, ki bi lahko izražale beljakovine v človeških celicah, da bi zasidrale kromosome. Vendar so se ta zaporedja DNK hitro zgrabila nase kot dvostranski lepilni trak in se končala v kroglicah, ki so celicam oteževale dostop do dodanih genov.

Eden od razlogov bi lahko bil, da so bila sintetična zaporedja DNK prekratka, zaradi česar so komponente minikromosoma nezanesljive. Nova študija je preizkusila idejo z inženiringom veliko večjega sklopa človeških kromosomov kot prej.

Osem je srečna številka

Namesto kromosoma v obliki črke X je ekipa zasnovala svoj človeški umetni kromosom kot krog, ki je združljiv z replikacijo v kvasovkah. Krog je vseboval zajetnih 760,000 parov črk DNK – približno 1/200 velikosti celotnega človeškega kromosoma.

Znotraj kroga so bila genetska navodila za izdelavo močnejšega centromera – »gumba«, ki ohranja strukturo kromosoma nedotaknjeno in jo lahko omogoči razmnoževanje. Ko se je gumb enkrat izrazil v celici kvasovke, je rekrutiral molekularne stroje kvasovk za izgradnjo zdravega človeškega umetnega kromosoma.

V svoji začetni krožni obliki v celicah kvasovk se lahko sintetični človeški kromosom nato neposredno prenese v človeške celice s postopkom, imenovanim celična fuzija. Znanstveniki so s kemičnimi obdelavami odstranili »ovitke« okoli celic kvasovk, kar je omogočilo, da se komponente celice – vključno z umetnim kromosomom – zlijejo neposredno s človeškimi celicami znotraj petrijevk.

Kot dobrohotni Nezemljani so se dodani sintetični kromosomi srečno integrirali v njihove človeške gostiteljske celice. Namesto da bi se strdili v škodljive ostanke, so se krogi podvojili v obliko osmice, pri čemer je centromera držala kroge skupaj. Umetni kromosomi so srečno sobivali z naravnimi kromosomi v obliki črke X, ne da bi spremenili svoje običajne funkcije.

Za gensko terapijo je bistveno, da vsi dodani geni ostanejo v telesu, tudi ko se celice delijo. Ta prednost je še posebej pomembna za hitro deleče se celice, kot je rak, ki se lahko hitro prilagodijo terapijam. Če je sintetični kromosom poln znanih genov za zatiranje raka, lahko obvladuje raka in druge bolezni skozi generacije celic.

Umetni človeški kromosomi so prestali test. Rekrutirali so beljakovine iz človeških gostiteljskih celic, da bi jim pomagali pri širjenju, ko se celice delijo, in tako ohranili umetne gene skozi generacije.

Preporod

Od prvih človeških umetnih kromosomov se je veliko spremenilo.

Orodja za urejanje genov, kot je CRISPR, so olajšala ponovno pisanje našega genetskega načrta. Mehanizmi dostave, ki ciljajo na določene organe ali tkiva, so v porastu. Toda sintetični kromosomi morda spet dobivajo del pozornosti.

Za razliko od virusnih prenašalcev, najpogosteje uporabljenih dostavnih sredstev za genske terapije ali urejevalce genov, umetni kromosomi ne morejo narediti tunela v našem genomu in motiti normalnega izražanja genov – zaradi česar so potencialno veliko varnejši.

Vendar ima tehnologija ranljivosti. Ustvarjeni kromosomi se še vedno pogosto izgubijo, ko se celice delijo. Sintetični geni, nameščeni v bližini centromere – »gumba« kromosoma – lahko tudi zmotijo ​​sposobnost umetnega kromosoma, da se podvaja in ločuje, ko se celice delijo.

Toda za Daweja ima študija večje posledice kot same človeške celice. Načela ponovnega inženiringa centromer, prikazana v tej študiji, bi se lahko uporabila za kvasovke in potencialno "uporabna v vseh kraljestvih" živih organizmov.

Metoda bi lahko pomagala znanstvenikom pri boljšem modeliranju človeških bolezni ali pri izdelavi zdravil in cepiv. Širše gledano, "morda bo kmalu mogoče vključiti umetne kromosome kot del razširjenega kompleta orodij za reševanje globalnih izzivov, povezanih z zdravstvenim varstvom, živino ter proizvodnjo hrane in vlaknin," je zapisal.

Kreditno slike: Warren Umoh / Unsplash

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/