Bản thiết kế di truyền của con người rất đơn giản. Các gen của chúng ta được quấn chặt thành 46 cấu trúc hình chữ X gọi là nhiễm sắc thể. Được tạo ra bởi quá trình tiến hóa, chúng mang DNA và tái tạo khi tế bào phân chia, đảm bảo sự ổn định của bộ gen của chúng ta qua nhiều thế hệ.

Năm 1997, một nghiên cứu đã phá hỏng cuốn sách về tiến hóa. Lần đầu tiên, một nhóm đã tạo ra nhiễm sắc thể nhân tạo của con người bằng kỹ thuật di truyền. Khi được đưa vào tế bào người trong đĩa petri, nhiễm sắc thể nhân tạo hoạt động giống như các nhiễm sắc thể tự nhiên của nó. Nó nhân lên khi tế bào phân chia, dẫn đến tế bào người có 47 nhiễm sắc thể.

Hãy yên tâm, mục tiêu không phải là tiến hóa loài người chúng ta một cách nhân tạo. Đúng hơn, nhiễm sắc thể nhân tạo có thể được sử dụng để mang những khối lớn vật liệu di truyền của con người hoặc các công cụ chỉnh sửa gen vào tế bào. So với các hệ thống phân phối hiện tại – chất mang virus hoặc hạt nano – nhiễm sắc thể nhân tạo có thể kết hợp nhiều DNA tổng hợp hơn.

Về lý thuyết, chúng có thể được thiết kế để đưa các gen trị liệu vào những người bị rối loạn di truyền hoặc bổ sung các gen bảo vệ chống lại bệnh ung thư.

Tuy nhiên, mặc dù đã trải qua hơn hai thập kỷ nghiên cứu, công nghệ này vẫn chưa trở thành xu hướng phổ biến. Một thách thức là các đoạn DNA ngắn liên kết với nhau để tạo thành các nhiễm sắc thể dính vào nhau khi ở bên trong tế bào, khiến việc dự đoán các gen sẽ hoạt động như thế nào trở nên khó khăn.

Tháng này, một nghiên cứu mới từ Đại học Pennsylvania đã thay đổi công thức 25 năm tuổi và tạo ra thế hệ nhiễm sắc thể nhân tạo mới. So với những người tiền nhiệm, các nhiễm sắc thể mới dễ chế tạo hơn và sử dụng các đoạn DNA dài hơn để không bị vón cục khi ở bên trong tế bào. Chúng cũng là vật mang lớn, về mặt lý thuyết có thể đưa vật liệu di truyền có kích thước gần bằng nhiễm sắc thể nấm men lớn nhất vào tế bào người.

Tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ Ben Black: “Về cơ bản, chúng tôi đã đại tu hoàn toàn phương pháp cũ đối với việc thiết kế và phân phối HAC [nhiễm sắc thể nhân tạo của con người]”. nói trong một thông cáo báo chí.

“Nghiên cứu này có khả năng tiếp thêm sinh lực cho những nỗ lực thiết kế nhiễm sắc thể nhân tạo ở cả động vật và thực vật,” đã viết Tiến sĩ R. Kelly Dawe của Đại học Georgia, người không tham gia vào nghiên cứu.

Hình dạng của bạn

Từ năm 1997, bộ gen nhân tạo đã trở thành một công nghệ sinh học có uy tín. Chúng được sử dụng để viết lại DNA ở vi khuẩn, nấm men và thực vật, tạo ra các tế bào có thể tổng hợp các loại thuốc hoặc thuốc cứu sống. ăn nhựa. Chúng cũng có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về chức năng của các chuỗi DNA bí ẩn nằm rải rác trong bộ gen của chúng ta.

Công nghệ này cũng mang lại những sinh vật tổng hợp đầu tiên. Cuối năm 2023, các nhà khoa học tế bào nấm men được tiết lộ với một nửa gen của họ được thay thế bằng DNA nhân tạo—nhóm nghiên cứu hy vọng cuối cùng sẽ tùy chỉnh được từng nhiễm sắc thể đơn lẻ. Đầu năm nay, một nghiên cứu khác làm lại các phần của nhiễm sắc thể thực vật, đẩy xa hơn nữa ranh giới của các sinh vật tổng hợp.

Và bằng cách mày mò cấu trúc của nhiễm sắc thể - ví dụ như cắt bỏ những vùng bị nghi ngờ là vô dụng - chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách chúng hoạt động bình thường, từ đó có khả năng dẫn đến các phương pháp điều trị bệnh.

Mục tiêu của việc xây dựng nhiễm sắc thể nhân tạo của con người không phải là để tạo ra các tế bào tổng hợp của con người. Đúng hơn, công việc này nhằm mục đích thúc đẩy liệu pháp gen. Các phương pháp hiện nay để mang gen trị liệu hoặc công cụ chỉnh sửa gen vào tế bào đều dựa vào virus hoặc hạt nano. Nhưng những hãng vận tải này có năng lực vận chuyển hàng hóa hạn chế.

Nếu các phương tiện giao hàng hiện tại giống như thuyền buồm thì nhiễm sắc thể nhân tạo của con người giống như tàu chở hàng, với khả năng mang nhiều loại gen lớn hơn và rộng hơn.

Vấn đề? Chúng rất khó xây dựng. Không giống như nhiễm sắc thể của vi khuẩn hoặc nấm men có hình tròn, nhiễm sắc thể của chúng ta giống như chữ “X”. Ở trung tâm của mỗi tế bào là một trung tâm protein gọi là tâm động, cho phép nhiễm sắc thể tách ra và tái tạo khi tế bào phân chia.

Theo một cách nào đó, tâm động giống như một chiếc nút giữ cho các mảnh vải sờn—các nhánh của nhiễm sắc thể—còn nguyên vẹn. Những nỗ lực trước đây nhằm xây dựng nhiễm sắc thể nhân tạo ở người tập trung vào các cấu trúc này, trích xuất các chữ cái DNA có thể biểu hiện protein bên trong tế bào người để neo giữ các nhiễm sắc thể. Tuy nhiên, các chuỗi DNA này nhanh chóng bám vào chúng như băng keo hai mặt, kết thúc ở dạng quả bóng khiến tế bào khó tiếp cận các gen được thêm vào.

Một lý do có thể là trình tự DNA tổng hợp quá ngắn, khiến các thành phần nhiễm sắc thể mini không đáng tin cậy. Nghiên cứu mới đã thử nghiệm ý tưởng này bằng cách tạo ra một tổ hợp nhiễm sắc thể người lớn hơn nhiều so với trước đây.

Tám là con số may mắn

Thay vì nhiễm sắc thể hình chữ X, nhóm nghiên cứu đã thiết kế nhiễm sắc thể nhân tạo của con người dưới dạng hình tròn, tương thích với sự sao chép ở nấm men. Vòng tròn chứa 760,000 cặp chữ cái DNA khổng lồ - khoảng 1/200 kích thước của toàn bộ nhiễm sắc thể con người.

Bên trong vòng tròn là các hướng dẫn di truyền để tạo ra một tâm động chắc chắn hơn – “nút” giữ cho cấu trúc nhiễm sắc thể nguyên vẹn và có thể khiến nó tái tạo. Sau khi được biểu hiện bên trong tế bào nấm men, nút này sẽ sử dụng bộ máy phân tử của nấm men để tạo ra nhiễm sắc thể nhân tạo khỏe mạnh của con người.

Ở dạng tròn ban đầu trong tế bào nấm men, nhiễm sắc thể tổng hợp của con người sau đó có thể được truyền trực tiếp vào tế bào người thông qua một quá trình gọi là phản ứng tổng hợp tế bào. Các nhà khoa học đã loại bỏ “lớp bọc” xung quanh tế bào nấm men bằng phương pháp xử lý hóa học, cho phép các thành phần của tế bào - bao gồm cả nhiễm sắc thể nhân tạo - hợp nhất trực tiếp vào tế bào người bên trong đĩa petri.

Giống như những người ngoài hành tinh nhân từ, các nhiễm sắc thể tổng hợp được bổ sung tích hợp vui vẻ vào tế bào chủ của con người. Thay vì kết thành những mảnh vụn độc hại, các vòng tròn được nhân đôi thành hình số 8, với tâm động giữ các vòng tròn lại với nhau. Các nhiễm sắc thể nhân tạo vui vẻ cùng tồn tại với các nhiễm sắc thể hình chữ X bản địa mà không làm thay đổi chức năng bình thường của chúng.

Đối với liệu pháp gen, điều quan trọng là mọi gen được thêm vào vẫn tồn tại bên trong cơ thể ngay cả khi tế bào phân chia. Lợi ích này đặc biệt quan trọng đối với các tế bào phân chia nhanh như ung thư, có thể nhanh chóng thích ứng với các liệu pháp điều trị. Nếu một nhiễm sắc thể tổng hợp chứa đầy các gen ức chế ung thư đã biết, nó có thể kiểm soát bệnh ung thư và các bệnh khác trong suốt các thế hệ tế bào.

Các nhiễm sắc thể nhân tạo của con người đã vượt qua bài kiểm tra. Họ tuyển dụng các protein từ tế bào vật chủ của con người để giúp chúng lây lan khi các tế bào phân chia, từ đó bảo tồn các gen nhân tạo qua nhiều thế hệ.

Sự hồi sinh

Nhiều điều đã thay đổi kể từ khi nhiễm sắc thể nhân tạo đầu tiên của con người.

Các công cụ chỉnh sửa gen, chẳng hạn như CRISPR, đã giúp việc viết lại bản thiết kế di truyền của chúng ta trở nên dễ dàng hơn. Cơ chế phân phối nhắm vào các cơ quan hoặc mô cụ thể đang gia tăng. Nhưng nhiễm sắc thể tổng hợp có thể đang lấy lại được sự chú ý.

Không giống như các chất mang vi-rút, phương tiện phân phối thường được sử dụng nhất cho các liệu pháp gen hoặc chỉnh sửa gen, nhiễm sắc thể nhân tạo không thể xâm nhập vào bộ gen của chúng ta và phá vỡ biểu hiện gen bình thường, khiến chúng có khả năng an toàn hơn rất nhiều.

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn có những lỗ hổng. Các nhiễm sắc thể được thiết kế vẫn thường bị mất khi tế bào phân chia. Các gen tổng hợp được đặt gần tâm động—“nút” của nhiễm sắc thể—cũng có thể phá vỡ khả năng sao chép và phân tách của nhiễm sắc thể nhân tạo khi tế bào phân chia.

Nhưng đối với Dawe, nghiên cứu này có ý nghĩa lớn hơn so với chỉ riêng tế bào của con người. Các nguyên tắc tái thiết kế tâm động được trình bày trong nghiên cứu này có thể được sử dụng cho nấm men và có khả năng “áp dụng cho nhiều giới” sinh vật sống.

Phương pháp này có thể giúp các nhà khoa học mô hình hóa tốt hơn các bệnh ở người hoặc sản xuất thuốc và vắc xin. Nói rộng hơn, “Có thể sẽ sớm đưa nhiễm sắc thể nhân tạo vào như một phần của bộ công cụ mở rộng nhằm giải quyết các thách thức toàn cầu liên quan đến chăm sóc sức khỏe, chăn nuôi cũng như sản xuất thực phẩm và chất xơ,” ông viết.

Ảnh: Warren Umoh / Unsplash

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/