Naučnici blizu kontrole celokupnog genetskog materijala na Zemlji
Naučnici sa Medicinskog fakulteta Perelman Univerziteta u Pensilvaniji razvili su novu metodu za stvaranje ljudskih veštačkih hromozoma (HAC) koji bi mogli da revolucionišu gensku terapiju i druge biotehnološke primene. Studija, objavljena u časopisu Science, opisuje pristup koji efikasno formira HAC-ove u jednoj kopiji, zaobilazeći uobičajenu prepreku koja je decenijama ometala napredak u ovoj oblasti.
Veštački hromozomi su laboratorijski napravljene strukture dizajnirane da oponašaju funkciju prirodnih hromozoma, upakovanih snopova DNK koji se nalaze u ćelijama ljudi i drugih organizama. Ovi sintetički konstrukti imaju potencijal da služe kao sredstva za isporuku terapeutskih gena ili kao alati za proučavanje biologije hromozoma. Međutim, prethodni pokušaji stvaranja HAC-a bili su opterećeni velikim problemom: segmenti DNK koji se koriste za njihovu izgradnju često se povezuju na nepredvidive načine, formirajući dugačke, zapletene lance sa preuređenim sekvencama.
Tim Penn Medicine, predvođen dr Benom Blekom, nastojao je da prevaziđe ovaj izazov tako što je u potpunosti promenio pristup dizajnu i isporuci HAC-a. „HAC koji smo izgradili je veoma privlačan za eventualnu primenu u biotehnološkim aplikacijama, na primer, gde je poželjan genetski inženjering ćelija velikih razmera“, objašnjava dr Blek u saopštenju za medije. „Bonus je to što oni postoje pored prirodnih hromozoma bez potrebe da menjaju prirodne hromozome u ćeliji.“
Da bi testirali svoju ideju, naučnici su se okrenuli isprobanom „radnom konju“ molekularne biologije: kvascu. Oni su koristili tehniku nazvanu kloniranje rekombinacijom povezanu sa transformacijom (TAR) da bi sastavili ogromni DNK konstrukt od 750 kilobaza u ćelijama kvasca. Za kontekst, to je oko 25 puta veće od konstrukata korišćenih u prethodnim HAC studijama. Konstrukt je sadržao DNK iz ljudskih i bakterijskih izvora, kao i sekvence koje su pomogle formiranju centromere.
Sledeći izazov je bio da se ovaj ogroman teret isporuči u ljudske ćelije. Tim je to postigao spajanjem konstruisanih ćelija kvasca sa linijom ljudskih ćelija, procesom koji je optimizovan u prethodnim studijama. Zanimljivo je da se ovaj pristup fuziji pokazao mnogo efikasnijim od tradicionalne metode direktnog prenosa gole DNK u ćelije.
Jedna od najvećih banaka Australije zatvara sve fizičke filijale i uvodi naciju u BEZGOTOVINSKU DRUŠTVO https://t.co/axZzvMRdhk
— Nulta Tačka (@NultaTackaSrb) March 24, 2024
Rezultati su bili zapanjujući. Ne samo da su projektovani HAC-ovi uspešno formirani, već su to učinili sa mnogo većom efikasnošću u poređenju sa standardnim metodama. Štaviše, ovi dizajnerski hromozomi su bili u stanju da se pravilno repliciraju i odvoje tokom ćelijske deobe, što je ključni zahtev za njihovu dugoročnu stabilnost i funkcionalnost.
„Umesto da pokušavamo da inhibiramo multimerizaciju, na primer, mi smo samo zaobišli problem povećanjem veličine ulazne DNK konstrukta tako da je prirodno težio da ostane u predvidljivom obliku jedne kopije“, objasnio je dr Blek.
Ali istraživači se tu nisu zaustavili. Takođe su osmislili pametan način da vizualizuju HAC-ove u njihovom matičnom, nekompaktovanom stanju. Nežnim liziranjem ćelija i upotrebom posebne tehnike centrifugiranja, uspeli su da izoluju HAC od ostatka ćelijske DNK. Ovo im je omogućilo da potvrde da su HAC-ovi zadržali svoj status jedne kopije i kružnu topologiju, bez ikakvih neželjenih preuređivanja ili dodataka.
Implikacije ovog otkrića su dalekosežne. HAC-ovi imaju potencijal da služe kao sigurnije, efikasnije platforme za gensku terapiju u poređenju sa trenutnim sistemima isporuke zasnovanim na virusima, koji mogu pokrenuti imunološke reakcije i uključiti rizik od umetanja štetne virusne DNK u genom domaćina. Veštački hromozomi takođe nude prednost što su u stanju da nose mnogo veće genetske terete, potencijalno omogućavajući ekspresiju celih genskih mreža ili složenih mašina za proteine.
Osim medicinskih primena, istraživači veruju da bi njihov pristup mogao biti vredan i za poljoprivrednu biotehnologiju, kao što je inženjering useva otpornih na štetočine ili useva visokog prinosa.
Iako još treba da se radi na prečišćavanju ovih veštačkih hromozoma i razvoju odgovarajućih metoda isporuke za terapeutsku upotrebu, ova studija predstavlja značajan korak napred u našoj sposobnosti da dizajniramo genome. Pružajući efikasniji i kontrolisaniji način za izgradnju HAC-a, istraživači su otvorili uzbudljive nove puteve za unapređenje sintetičke biologije i proširenje alata za genetsku manipulaciju.
Dok nastavljamo da pomeramo granice onoga što je moguće sa genetskim inženjeringom, razvoj stabilnih veštačkih ljudskih hromozoma u jednoj kopiji označava važnu prekretnicu. Ovaj proboj ne samo da nas približava ostvarenju punog potencijala genske terapije, već takođe pruža moćnu novu platformu za osnovna istraživanja strukture i funkcije hromozoma. U budućnosti, dizajnerski hromozomi mogu postati standardni deo bioinženjerskog arsenala, osnažujući naučnike da se suoče sa širokim spektrom medicinskih i poljoprivrednih izazova.
