Schemat genetyczny człowieka jest zwodniczo prosty. Nasze geny są ściśle zwinięte w 46 struktur w kształcie litery X, zwanych chromosomami. Powstałe w wyniku ewolucji, niosą DNA i replikują się podczas podziału komórek, zapewniając stabilność naszego genomu przez pokolenia.

W 1997 r. badanie storpedowało podręcznik ewolucji. Po raz pierwszyzespół stworzył sztuczny ludzki chromosom za pomocą inżynierii genetycznej. Po dostarczeniu do ludzkiej komórki na szalce Petriego sztuczny chromosom zachowywał się podobnie do swoich naturalnych odpowiedników. Replikował się podczas podziału komórek, prowadząc do powstania komórek ludzkich z 47 chromosomami.

Bądźcie pewni, celem nie była sztuczna ewolucja naszego gatunku. Zamiast tego sztuczne chromosomy można wykorzystać do przenoszenia dużych fragmentów ludzkiego materiału genetycznego lub narzędzi do edycji genów do komórek. W porównaniu z obecnymi systemami dostarczania – nośnikami wirusów lub nanocząsteczkami – sztuczne chromosomy mogą zawierać znacznie więcej syntetycznego DNA.

Teoretycznie można je zaprojektować tak, aby przenosić geny terapeutyczne do osób z zaburzeniami genetycznymi lub dodawać geny chroniące przed rakiem.

Jednak pomimo ponad dwudziestu lat badań technologia ta nie weszła jeszcze do głównego nurtu. Jednym z wyzwań jest to, że krótkie segmenty DNA łączące się w chromosomy sklejają się po wejściu do komórek, co utrudnia przewidzenie zachowania genów.

Ten miesiąc, nowe badanie z Uniwersytetu w Pensylwanii zmienili 25-letnią recepturę i zbudowali nową generację sztucznych chromosomów. W porównaniu do swoich poprzedników, nowe chromosomy są łatwiejsze w konstruowaniu i wykorzystują dłuższe segmenty DNA, które nie zlepiają się po wejściu do komórek. Są także dużym nośnikiem, który teoretycznie mógłby przenosić do ludzkich komórek materiał genetyczny mniej więcej wielkości największego chromosomu drożdży.

„Zasadniczo dokonaliśmy całkowitej zmiany starego podejścia do projektowania i dostarczania HAC [sztucznego chromosomu ludzkiego]” – autor badania, dr Ben Black powiedziany w komunikacie prasowym.

„Te prace prawdopodobnie ożywią wysiłki zmierzające do opracowania sztucznych chromosomów zarówno u zwierząt, jak i roślin” – dodał. napisał dr R. Kelly Dawe z Uniwersytetu Georgia, który nie brał udziału w badaniu.

Kształt Ty

Od 1997 r. sztuczne genomy stały się uznaną biotechnologią. Wykorzystywano je do przepisania DNA bakterii, drożdży i roślin, w wyniku czego powstały komórki zdolne do syntezy leków ratujących życie lub jeść plastik. Mogą także pomóc naukowcom lepiej zrozumieć funkcje tajemniczych sekwencji DNA rozmieszczonych w całym naszym genomie.

Technologia ta przyniosła także pierwsze organizmy syntetyczne. Pod koniec 2023 r. naukowcy ujawnił komórki drożdży z zastąpieniem połowy genów sztucznym DNA — zespół ma nadzieję ostatecznie dostosować każdy pojedynczy chromosom. Wcześniej w tym roku, inne badania przerobiono części chromosomu rośliny, jeszcze bardziej przesuwając granice organizmów syntetycznych.

Majsterkując przy strukturze chromosomów — na przykład odcinając podejrzane, bezużyteczne regiony — możemy lepiej zrozumieć ich normalne funkcjonowanie, co może potencjalnie prowadzić do leczenia chorób.

Celem budowania sztucznych chromosomów ludzkich nie jest inżynieria syntetycznych komórek ludzkich. Celem tej pracy jest raczej postęp w terapii genowej. Obecne metody przenoszenia genów terapeutycznych lub narzędzi do edycji genów do komórek opierają się na wirusach lub nanocząsteczkach. Przewoźnicy ci mają jednak ograniczoną ładowność.

Jeśli obecne pojazdy dostawcze przypominają żaglówki, sztuczne ludzkie chromosomy przypominają statki towarowe, mogące przenosić znacznie większy i szerszy zakres genów.

Problem? Trudno je zbudować. W przeciwieństwie do chromosomów bakterii lub drożdży, które mają okrągły kształt, nasze chromosomy przypominają „X”. W centrum każdego z nich znajduje się koncentrator białkowy zwany centromerem, który umożliwia rozdzielanie i replikację chromosomu podczas podziału komórki.

W pewnym sensie centromer jest jak guzik, który utrzymuje wystrzępione kawałki materiału – ramiona chromosomu – w nienaruszonym stanie. Wcześniejsze wysiłki mające na celu zbudowanie sztucznych chromosomów ludzkich skupiały się na tych strukturach, wyodrębniając litery DNA, które mogłyby wyrażać białka wewnątrz ludzkich komórek w celu zakotwiczenia chromosomów. Jednakże te sekwencje DNA szybko przyczepiły się do siebie niczym dwustronna taśma, kończąc w kulkach, które utrudniały komórkom dostęp do dodanych genów.

Jednym z powodów może być to, że syntetyczne sekwencje DNA były zbyt krótkie, co sprawiało, że składniki minichromosomów były zawodne. W nowym badaniu przetestowano ten pomysł, konstruując znacznie większy niż wcześniej zespół ludzkich chromosomów.

Osiem to szczęśliwa liczba

Zamiast chromosomu w kształcie X, zespół zaprojektował ludzki sztuczny chromosom w postaci koła, który jest kompatybilny z replikacją w drożdżach. Krąg zawierał ogromną liczbę 760,000 1 par liter DNA – mniej więcej 200/XNUMX wielkości całego ludzkiego chromosomu.

Wewnątrz okręgu znajdowały się instrukcje genetyczne mające na celu utworzenie mocniejszego centromeru – „przycisku”, który utrzymuje strukturę chromosomu w nienaruszonym stanie i może spowodować jego replikację. Po ekspresji w komórce drożdży przycisk zaangażował maszynerię molekularną drożdży do zbudowania zdrowego, sztucznego chromosomu ludzkiego.

Syntetyczny ludzki chromosom, występujący w początkowej postaci kolistej w komórkach drożdży, mógłby następnie zostać bezpośrednio przekazany do komórek ludzkich w procesie zwanym fuzją komórek. Naukowcy usunęli „otoczki” wokół komórek drożdży za pomocą zabiegów chemicznych, umożliwiając składnikom komórek – w tym sztucznemu chromosomowi – połączenie się bezpośrednio z komórkami ludzkimi na szalkach Petriego.

Podobnie jak życzliwe istoty pozaziemskie, dodane syntetyczne chromosomy szczęśliwie zintegrowały się z ludzkimi komórkami gospodarza. Zamiast zbijać się w szkodliwe szczątki, koła podwoiły się, tworząc kształt ósemki, a centromer spajał koła. Sztuczne chromosomy szczęśliwie współistniały z natywnymi chromosomami w kształcie litery X, nie zmieniając ich normalnych funkcji.

W przypadku terapii genowej istotne jest, aby wszelkie dodane geny pozostały w organizmie nawet podczas podziału komórek. Ta cecha jest szczególnie ważna w przypadku szybko dzielących się komórek, takich jak nowotwory, które mogą szybko przystosować się do terapii. Jeśli syntetyczny chromosom będzie wypełniony znanymi genami hamującymi raka, może kontrolować nowotwory i inne choroby przez całe pokolenia komórek.

Sztuczne ludzkie chromosomy zdały egzamin. Zrekrutowali białka z ludzkich komórek gospodarza, aby pomóc im rozprzestrzeniać się w miarę podziału komórek, chroniąc w ten sposób sztuczne geny przez pokolenia.

Odrodzenie

Wiele się zmieniło od czasu pierwszych sztucznych chromosomów u ludzi.

Narzędzia do edycji genów, takie jak CRISPR, ułatwiły przepisanie naszego planu genetycznego. Wzrasta liczba mechanizmów dostarczania ukierunkowanych na określone narządy lub tkanki. Jednak syntetyczne chromosomy mogą odzyskać część uwagi.

W przeciwieństwie do nosicieli wirusowych, najczęściej używanego nośnika w terapiach genowych lub edytorach genów, sztuczne chromosomy nie mogą przedostać się tunelem do naszego genomu i zakłócić normalnej ekspresji genów, co czyni je potencjalnie znacznie bezpieczniejszymi.

Technologia ta ma jednak luki. Zaprojektowane chromosomy nadal często są tracone podczas podziału komórek. Syntetyczne geny umieszczone w pobliżu centromeru – „przycisku” chromosomu – mogą również zakłócać zdolność sztucznego chromosomu do replikacji i rozdzielania podczas podziału komórek.

Jednak zdaniem Dawe’a badanie ma szersze implikacje niż same komórki ludzkie. Zasady przeprojektowywania centromerów przedstawione w tym badaniu można zastosować w przypadku drożdży i potencjalnie mieć „zastosowanie we wszystkich królestwach” żywych organizmów.

Metoda ta może pomóc naukowcom w lepszym modelowaniu chorób ludzkich lub produkcji leków i szczepionek. Mówiąc szerzej: „Być może wkrótce możliwe będzie włączenie sztucznych chromosomów jako części rozszerzającego się zestawu narzędzi pozwalających stawić czoła globalnym wyzwaniom związanym z opieką zdrowotną, hodowlą oraz produkcją żywności i błonnika” – napisał.

Kredytowych Image: Warrena Umoha / Unsplash

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/