พิมพ์เขียวทางพันธุกรรมของมนุษย์นั้นเรียบง่ายอย่างหลอกลวง ยีนของเราถูกพันแน่นเป็นโครงสร้างรูปตัว X 46 โครงสร้างที่เรียกว่าโครโมโซม สร้างขึ้นโดยวิวัฒนาการ โดยนำ DNA และทำซ้ำเมื่อเซลล์แบ่งตัว ทำให้มั่นใจในความเสถียรของจีโนมของเราจากรุ่นสู่รุ่น

ในปี 1997 มีงานวิจัยชิ้นหนึ่งที่ทำลายสถิติของวิวัฒนาการ สำหรับครั้งแรกทีมงานสร้างโครโมโซมมนุษย์เทียมโดยใช้พันธุวิศวกรรม เมื่อส่งเข้าไปในเซลล์ของมนุษย์ในจานเพาะเชื้อ โครโมโซมเทียมจะมีพฤติกรรมเหมือนกับโครโมโซมตามธรรมชาติมาก มันจำลองแบบเมื่อเซลล์ถูกแบ่งออก นำไปสู่เซลล์ของมนุษย์ที่มีโครโมโซม 47 โครโมโซม

มั่นใจได้ว่าเป้าหมายไม่ใช่การพัฒนาสายพันธุ์ของเราแบบเทียม แต่โครโมโซมเทียมสามารถใช้เพื่อนำสารพันธุกรรมของมนุษย์หรือเครื่องมือแก้ไขยีนชิ้นใหญ่เข้าไปในเซลล์ได้ เมื่อเปรียบเทียบกับระบบการนำส่งในปัจจุบัน เช่น พาหะไวรัสหรืออนุภาคนาโน โครโมโซมเทียมสามารถรวม DNA สังเคราะห์ได้มากกว่ามาก

ตามทฤษฎีแล้ว พวกมันสามารถถูกออกแบบให้ส่งยีนรักษาโรคไปยังผู้ที่มีความผิดปกติทางพันธุกรรม หรือเพิ่มยีนที่ป้องกันมะเร็งได้

แม้จะมีการวิจัยมากว่าสองทศวรรษ แต่เทคโนโลยีก็ยังไม่เข้าสู่กระแสหลัก ความท้าทายประการหนึ่งคือส่วน DNA สั้นๆ ที่เชื่อมโยงกันจนกลายเป็นโครโมโซมจะเกาะติดกันเมื่ออยู่ภายในเซลล์ ทำให้ยากต่อการคาดเดาว่ายีนจะมีพฤติกรรมอย่างไร

ในเดือนนี้ การศึกษาใหม่ จากมหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนีย เปลี่ยนสูตรเก่า 25 ปี และสร้างโครโมโซมเทียมเจเนอเรชันใหม่ เมื่อเปรียบเทียบกับรุ่นก่อน โครโมโซมใหม่นั้นง่ายต่อการออกแบบและใช้ส่วนของ DNA ที่ยาวขึ้นซึ่งจะไม่จับกันเป็นก้อนภายในเซลล์ พวกมันยังเป็นพาหะขนาดใหญ่ ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วสามารถส่งสารพันธุกรรมที่มีขนาดประมาณโครโมโซมยีสต์ที่ใหญ่ที่สุดไปยังเซลล์ของมนุษย์ได้

“โดยพื้นฐานแล้ว เราได้ยกเครื่องแนวทางเก่าในการออกแบบและส่งมอบ HAC [โครโมโซมเทียมของมนุษย์] ใหม่ทั้งหมด” ดร. เบ็น แบล็ก ผู้เขียนการศึกษา กล่าวว่า ในการแถลงข่าว

“งานนี้มีแนวโน้มที่จะตอกย้ำความพยายามในการสร้างโครโมโซมเทียมทั้งในสัตว์และพืช” เขียน ดร. อาร์ เคลลี่ ดาเว แห่งมหาวิทยาลัยจอร์เจีย ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาวิจัยครั้งนี้

รูปร่างของคุณ

ตั้งแต่ปี 1997 จีโนมเทียมได้กลายเป็นเทคโนโลยีชีวภาพที่เป็นที่ยอมรับ พวกมันถูกใช้เพื่อเขียน DNA ใหม่ในแบคทีเรีย ยีสต์ และพืช ส่งผลให้เซลล์สามารถสังเคราะห์ยาช่วยชีวิตหรือ กินพลาสติก- นอกจากนี้ยังสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจการทำงานของลำดับดีเอ็นเอลึกลับที่เกลื่อนไปทั่วจีโนมของเราได้ดีขึ้น

เทคโนโลยีนี้ยังทำให้เกิดสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ชนิดแรกอีกด้วย ในช่วงปลายปี 2023 นักวิทยาศาสตร์ เผยให้เห็นเซลล์ยีสต์ โดยครึ่งหนึ่งของยีนถูกแทนที่ด้วย DNA เทียม ทีมงานหวังว่าจะปรับแต่งโครโมโซมทุกอันได้ในที่สุด เมื่อต้นปีนี้ การศึกษาอื่น ปรับปรุงส่วนต่างๆ ของโครโมโซมของพืช เป็นการก้าวข้ามขีดจำกัดของสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ออกไปอีก

และด้วยการปรับปรุงโครงสร้างของโครโมโซม เช่น การตัดส่วนที่สงสัยว่าไร้ประโยชน์ออกไป เราก็สามารถเข้าใจได้ดีขึ้นว่าพวกมันทำงานอย่างไรตามปกติ ซึ่งอาจนำไปสู่การรักษาโรคได้

เป้าหมายของการสร้างโครโมโซมเทียมของมนุษย์ไม่ใช่การสร้างเซลล์สังเคราะห์ของมนุษย์ แต่งานนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนายีนบำบัด วิธีการในปัจจุบันในการนำยีนบำบัดหรือเครื่องมือแก้ไขยีนเข้าไปในเซลล์นั้นอาศัยไวรัสหรืออนุภาคนาโน แต่ผู้ให้บริการเหล่านี้มีความสามารถในการบรรทุกสินค้าที่จำกัด

หากยานพาหนะขนส่งในปัจจุบันเปรียบเสมือนเรือใบ โครโมโซมมนุษย์เทียมก็เปรียบเสมือนเรือบรรทุกสินค้า ซึ่งมีความสามารถในการบรรทุกยีนที่ใหญ่และกว้างกว่ามาก

ปัญหา? มันยากที่จะสร้าง โครโมโซมของเราแตกต่างจากแบคทีเรียหรือยีสต์ซึ่งมีรูปร่างเป็นวงกลม โครโมโซมของเรามีลักษณะเหมือนตัว "X" ที่ศูนย์กลางของแต่ละจุดจะมีศูนย์กลางโปรตีนที่เรียกว่าเซนโทรเมียร์ซึ่งช่วยให้โครโมโซมแยกตัวและทำซ้ำเมื่อเซลล์แบ่งตัว

ในทางหนึ่ง เซนโทรเมียร์เปรียบเสมือนปุ่มที่ช่วยรักษาชิ้นส่วนผ้าที่หลุดลุ่ย—แขนของโครโมโซม—ให้คงเดิม ความพยายามก่อนหน้านี้ในการสร้างโครโมโซมเทียมของมนุษย์มุ่งเน้นไปที่โครงสร้างเหล่านี้ โดยแยกตัวอักษร DNA ที่สามารถแสดงโปรตีนภายในเซลล์ของมนุษย์เพื่อยึดโครโมโซม อย่างไรก็ตาม ลำดับดีเอ็นเอเหล่านี้จับตัวอย่างรวดเร็วเหมือนกับเทปสองหน้า และจบลงที่ลูกบอลซึ่งทำให้เซลล์เข้าถึงยีนที่เพิ่มเข้ามาได้ยาก

เหตุผลหนึ่งอาจเป็นเพราะลำดับดีเอ็นเอสังเคราะห์สั้นเกินไป ทำให้ส่วนประกอบมินิโครโมโซมไม่น่าเชื่อถือ การศึกษาครั้งใหม่นี้ได้ทดสอบแนวคิดนี้โดยวิศวกรรมการประกอบโครโมโซมของมนุษย์ที่มีขนาดใหญ่กว่าเมื่อก่อนมาก

แปดคือเลขนำโชค

แทนที่จะเป็นโครโมโซมรูป X ทีมงานได้ออกแบบโครโมโซมเทียมของมนุษย์ให้เป็นวงกลม ซึ่งเข้ากันได้กับการจำลองแบบในยีสต์ วงกลมนี้บรรจุคู่ตัวอักษร DNA จำนวนมากถึง 760,000 คู่ ซึ่งมีขนาดประมาณ 1/200 ของโครโมโซมของมนุษย์ทั้งหมด

ภายในวงกลมนั้นมีคำสั่งทางพันธุกรรมเพื่อสร้างเซนโทรเมียร์ที่แข็งแรงขึ้น ซึ่งเป็น “ปุ่ม” ที่ช่วยรักษาโครงสร้างโครโมโซมให้สมบูรณ์และสามารถทำให้มันทำซ้ำได้ เมื่อแสดงออกภายในเซลล์ยีสต์ ปุ่มจะคัดเลือกกลไกโมเลกุลของยีสต์เพื่อสร้างโครโมโซมเทียมของมนุษย์ที่แข็งแรง

ในรูปแบบวงกลมเริ่มแรกในเซลล์ยีสต์ โครโมโซมของมนุษย์สังเคราะห์สามารถส่งผ่านไปยังเซลล์ของมนุษย์ได้โดยตรงผ่านกระบวนการที่เรียกว่าเซลล์ฟิวชั่น นักวิทยาศาสตร์นำ “สิ่งห่อหุ้ม” รอบๆ เซลล์ยีสต์ออกด้วยการบำบัดทางเคมี ซึ่งช่วยให้ส่วนประกอบของเซลล์ รวมถึงโครโมโซมเทียม รวมเข้ากับเซลล์ของมนุษย์โดยตรงภายในจานเพาะเชื้อ

เช่นเดียวกับมนุษย์ต่างดาวผู้มีเมตตา โครโมโซมสังเคราะห์ที่เพิ่มเข้ามาจะรวมเข้ากับเซลล์เจ้าบ้านของมนุษย์อย่างมีความสุข แทนที่จะเกาะกันเป็นเศษซากที่มีพิษ วงกลมกลับเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเป็นรูปเลขแปด โดยมีเซนโทรเมียร์จับวงกลมไว้ด้วยกัน โครโมโซมเทียมอยู่ร่วมกับโครโมโซมรูปตัว X อย่างมีความสุข โดยไม่เปลี่ยนการทำงานปกติ

สำหรับการบำบัดด้วยยีน จำเป็นอย่างยิ่งที่ยีนที่เพิ่มเข้ามาจะยังคงอยู่ในร่างกายแม้ว่าเซลล์จะแบ่งตัวก็ตาม ข้อดีนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเซลล์ที่มีการแบ่งตัวอย่างรวดเร็ว เช่น มะเร็ง ซึ่งสามารถปรับตัวให้เข้ากับการรักษาได้อย่างรวดเร็ว หากโครโมโซมสังเคราะห์เต็มไปด้วยยีนยับยั้งมะเร็ง ก็สามารถควบคุมมะเร็งและโรคอื่นๆ ได้ตลอดชั่วอายุเซลล์

โครโมโซมมนุษย์เทียมผ่านการทดสอบแล้ว พวกเขาคัดเลือกโปรตีนจากเซลล์เจ้าบ้านของมนุษย์เพื่อช่วยให้พวกมันแพร่กระจายเมื่อเซลล์ถูกแบ่งออก ดังนั้นจึงเป็นการอนุรักษ์ยีนเทียมจากรุ่นสู่รุ่น

การฟื้นฟู

มีการเปลี่ยนแปลงไปมากมายนับตั้งแต่โครโมโซมเทียมของมนุษย์ตัวแรก

เครื่องมือแก้ไขยีน เช่น CRISPR ช่วยให้เขียนพิมพ์เขียวทางพันธุกรรมของเราใหม่ได้ง่ายขึ้น กลไกการนำส่งที่มุ่งเป้าไปที่อวัยวะหรือเนื้อเยื่อเฉพาะกำลังเพิ่มสูงขึ้น แต่โครโมโซมสังเคราะห์อาจจะกลับมาได้รับความสนใจอีกครั้ง

โครโมโซมเทียมไม่สามารถเจาะเข้าไปในจีโนมของเราและขัดขวางการแสดงออกของยีนตามปกติได้ ซึ่งต่างจากพาหะไวรัส ซึ่งเป็นพาหนะนำส่งยีนที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับการบำบัดหรือแก้ไขยีน ซึ่งทำให้พวกมันมีความปลอดภัยมากขึ้น

แม้ว่าเทคโนโลยีจะมีช่องโหว่ก็ตาม โครโมโซมที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมมักจะหายไปเมื่อเซลล์แบ่งตัว ยีนสังเคราะห์ที่วางอยู่ใกล้เซนโทรเมียร์ ซึ่งเป็น “ปุ่ม” ของโครโมโซม อาจขัดขวางความสามารถของโครโมโซมเทียมในการทำซ้ำและแยกออกจากกันเมื่อเซลล์แบ่งตัว

แต่สำหรับ Dawe การศึกษานี้มีความหมายมากกว่าเซลล์ของมนุษย์เพียงอย่างเดียว หลักการของการปรับวิศวกรรมเซนโทรเมียร์ที่แสดงในการศึกษานี้สามารถนำไปใช้กับยีสต์และอาจ "ใช้ได้กับทุกอาณาจักร" ของสิ่งมีชีวิต

วิธีการนี้สามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์จำลองโรคของมนุษย์หรือผลิตยาและวัคซีนได้ดีขึ้น กล่าวโดยกว้างๆ ว่า "เร็วๆ นี้ อาจเป็นไปได้ที่จะรวมโครโมโซมเทียมไว้เป็นส่วนหนึ่งของชุดเครื่องมือที่ขยายตัวเพื่อจัดการกับความท้าทายระดับโลกที่เกี่ยวข้องกับการดูแลสุขภาพ ปศุสัตว์ และการผลิตอาหารและเส้นใย" เขาเขียน

เครดิตภาพ: วอร์เรน อูโมห์ / Unsplash

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/