Inimese kunstlikud kromosoomid võivad rakkudesse transportida tonni rohkem DNA lasti

Inimese geneetiline plaan on petlikult lihtne. Meie geenid on tihedalt keritud 46 X-kujuliseks struktuuriks, mida nimetatakse kromosoomideks. Evolutsiooniga loodud need kannavad DNA-d ja paljunevad rakkude jagunemisel, tagades meie genoomi stabiilsuse põlvkondade kaupa.

1997. aastal torpedeeris uuring evolutsiooni mänguraamatut. Esimest kordaaastal lõi meeskond geenitehnoloogia abil kunstliku inimese kromosoomi. Kui kunstlik kromosoom Petri tassis inimrakku viidi, käitus see sarnaselt oma looduslike analoogidega. See replitseeriti rakkude jagunemisel, mille tulemusel tekkisid 47 kromosoomiga inimrakud.

Võite olla kindel, et eesmärk ei olnud meie liiki kunstlikult arendada. Pigem saab kunstlikke kromosoome kasutada inimeste geneetilise materjali suurte tükkide või geenide redigeerimise tööriistade rakkudesse kandmiseks. Võrreldes praeguste kohaletoimetamissüsteemidega - viirusekandjad või nanoosakesed - võivad kunstlikud kromosoomid sisaldada palju rohkem sünteetilist DNA-d.

Teoreetiliselt võiks need olla mõeldud terapeutiliste geenide ülekandmiseks geneetiliste häiretega inimestele või vähi vastu kaitsvate geenide lisamiseks.

Kuid vaatamata enam kui kahe aastakümne pikkusele uurimistööle ei ole tehnoloogia veel peavoolu sisenenud. Üks väljakutse on see, et kromosoomide moodustamiseks ühenduvad lühikesed DNA segmendid kleepuvad rakkude sees kokku, mistõttu on raske ennustada, kuidas geenid käituvad.

See kuu, uus uuring Pennsylvania ülikoolist muutis 25 aastat vana retsepti ja ehitas uue põlvkonna kunstlikud kromosoomid. Võrreldes nende eelkäijatega on uusi kromosoome lihtsam konstrueerida ja need kasutavad pikemaid DNA segmente, mis ei kleepu rakkudesse. Nad on ka suured kandjad, mis teoreetiliselt võivad inimese rakkudesse viia ligikaudu suurima pärmi kromosoomi suuruse geneetilise materjali.

"Põhimõtteliselt tegime täieliku uuenduse vana lähenemisviisi HAC [inimese tehiskromosoomi] disainile ja kohaletoimetamisele," uuringu autor dr Ben Black ütles pressiteates.

"Töö tugevdab tõenäoliselt jõupingutusi kunstlike kromosoomide kujundamiseks nii loomadel kui ka taimedel," kirjutas Georgia ülikooli dr. R. Kelly Dawe, kes ei osalenud uuringus.

Teie kuju

Alates 1997. aastast on tehisgenoomid muutunud väljakujunenud biotehnoloogiaks. Neid on kasutatud DNA ümberkirjutamiseks bakterites, pärmis ja taimedes, mille tulemuseks on rakud, mis suudavad sünteesida elupäästvaid ravimeid või söö plastikut. Samuti võivad need aidata teadlastel paremini mõista kogu meie genoomis leiduvate salapäraste DNA järjestuste funktsioone.

Tehnoloogia tõi kaasa ka esimesed sünteetilised organismid. 2023. aasta lõpus tegid teadlased paljastatud pärmirakud pooled nende geenidest on asendatud kunstliku DNA-ga - meeskond loodab lõpuks kohandada iga kromosoomi. Varem sel aastal, teises uuringus ümbertöödeldud taime kromosoomi osi, nihutades veelgi sünteetiliste organismide piire.

Ja kromosoomide struktuuride kallal nokitsedes – näiteks kahtlustatud kasutute piirkondade ära lõikamisel – saame paremini aru, kuidas need tavaliselt toimivad, mis võib viia haiguste ravimiseni.

Inimese kunstlike kromosoomide loomise eesmärk ei ole sünteetiliste inimrakkude konstrueerimine. Pigem on töö mõeldud geeniteraapia edendamiseks. Praegused meetodid terapeutiliste geenide või geenide redigeerimise tööriistade kandmiseks rakkudesse põhinevad viirustel või nanoosakestel. Kuid neil vedajatel on piiratud kaubamaht.

Kui praegused kohaletoimetamissõidukid on nagu purjekad, siis kunstlikud inimese kromosoomid on nagu kaubalaevad, mis on võimelised kandma palju suuremat ja laiemat valikut geene.

Probleem? Neid on raske ehitada. Erinevalt bakteritest või pärmi kromosoomidest, mis on ringikujulised, on meie kromosoomid nagu "X". Iga keskel on valgu keskus, mida nimetatakse tsentromeeriks, mis võimaldab kromosoomil raku jagunemisel eralduda ja paljuneda.

Mõnes mõttes on tsentromeer nagu nupp, mis hoiab narmendavad kangatükid – kromosoomi käed – puutumata. Varasemad jõupingutused inimese kunstlike kromosoomide ehitamiseks keskendusid nendele struktuuridele, ekstraheerides DNA-tähti, mis võivad kromosoomide kinnitamiseks ekspresseerida valke inimese rakkudes. Need DNA järjestused haarasid aga kiiresti enda külge nagu kahepoolne teip, lõppedes pallidega, mis raskendasid rakkude juurdepääsu lisatud geenidele.

Üks põhjus võib olla see, et sünteetilised DNA järjestused olid liiga lühikesed, muutes minikromosoomi komponendid ebausaldusväärseks. Uues uuringus testiti ideed, luues varasemast palju suurema inimese kromosoomikomplekti.

Kaheksa on õnnenumber

X-kujulise kromosoomi asemel kujundas meeskond oma inimese kunstliku kromosoomi ringina, mis ühildub pärmis replikatsiooniga. Ring sisaldas kopsakaid 760,000 1 DNA tähepaari – ligikaudu 200/XNUMX terve inimese kromosoomi suurusest.

Ringi sees olid geneetilised juhised tugevama tsentromeeri valmistamiseks - "nupp", mis hoiab kromosoomi struktuuri puutumatuna ja võib panna selle paljunema. Kui pärmirakus ekspresseeriti, värbas see nupp pärmi molekulaarmasinaid, et luua terve inimese kunstlik kromosoom.

Algses ringikujulises vormis pärmirakkudes saab inimese sünteetilise kromosoomi seejärel rakkude liitmise protsessi kaudu otse inimese rakkudesse üle kanda. Teadlased eemaldasid pärmirakkude ümbert keemilise töötlusega "ümbrised", võimaldades rakkude komponentidel, sealhulgas tehiskromosoomil, sulanduda Petri tassides otse inimrakkudesse.

Nagu heatahtlikud maavälised olendid, integreerusid lisatud sünteetilised kromosoomid õnnelikult nende inimese peremeesrakkudesse. Selle asemel, et koonduda kahjulikuks prahiks, kahekordistusid ringid kaheksakujuliseks, kusjuures tsentromeer hoiab ringe koos. Kunstlikud kromosoomid eksisteerisid õnnelikult koos looduslike X-kujuliste kromosoomidega, muutmata nende tavalisi funktsioone.

Geeniteraapia jaoks on oluline, et kõik lisatud geenid jääksid kehasse isegi rakkude jagunemisel. See eelis on eriti oluline kiiresti jagunevate rakkude jaoks, nagu vähk, mis võivad ravidega kiiresti kohaneda. Kui sünteetiline kromosoom on täis teadaolevaid vähktõbe pärssivaid geene, võib see hoida vähki ja muid haigusi kontrolli all rakkude põlvkondade jooksul.

Inimese tehiskromosoomid läbisid testi. Nad värbasid valke inimese peremeesrakkudest, et aidata neil rakkude jagunemisel levida, säilitades seeläbi kunstlikud geenid põlvkondade jooksul.

Revival

Alates esimestest inimese tehiskromosoomidest on palju muutunud.

Geeni redigeerimise tööriistad, nagu CRISPR, on muutnud meie geneetilise plaani ümberkirjutamise lihtsamaks. Konkreetsetele organitele või kudedele suunatud kohaletoimetamismehhanismid on tõusuteel. Kuid sünteetilised kromosoomid võivad osa tähelepanu keskpunktist tagasi saada.

Erinevalt viirusekandjatest, mis on geeniteraapiates või geeniredaktorites kõige sagedamini kasutatav vahend, ei saa kunstlikud kromosoomid meie genoomi tunneldada ega häirida normaalset geeniekspressiooni, muutes need potentsiaalselt palju ohutumaks.

Tehnoloogial on siiski nõrkusi. Rakkude jagunemisel kaovad konstrueeritud kromosoomid endiselt sageli. Sünteetilised geenid, mis on paigutatud tsentromeeri – kromosoomi “nupu” – lähedusse, võivad samuti häirida kunstliku kromosoomi võimet paljuneda ja eralduda rakkude jagunemisel.

Kuid Dawe jaoks on uuringul suuremad tagajärjed kui ainult inimrakkudel. Selles uuringus näidatud tsentromeeride ümberkujundamise põhimõtteid saab kasutada pärmi puhul ja need võivad olla „rakendatavad” elusorganismide kuningriikides.

Meetod võib aidata teadlastel paremini modelleerida inimeste haigusi või toota ravimeid ja vaktsiine. Laiemalt öeldes: "Võib-olla võib peagi olla võimalik lisada kunstlikud kromosoomid osana laienevasse tööriistakomplekti, et lahendada ülemaailmseid probleeme, mis on seotud tervishoiu, kariloomade ning toidu- ja kiudainete tootmisega," kirjutas ta.

Image Credit: Warren Umoh / Unsplash

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/