Den menneskelige genetiske plan er vildledende enkel. Vores gener er tæt viklet ind i 46 X-formede strukturer kaldet kromosomer. Fremstillet af evolutionen bærer de DNA og replikerer, når celler deler sig, hvilket sikrer stabiliteten af ​​vores genom over generationer.

I 1997 torpederede en undersøgelse evolutionens spillebog. For første gang, skabte et hold et kunstigt menneskeligt kromosom ved hjælp af genteknologi. Når det blev leveret til en menneskelig celle i en petriskål, opførte det kunstige kromosom sig meget som dets naturlige modstykker. Det replikerede som celler delte, hvilket førte til humane celler med 47 kromosomer.

Vær sikker på, målet var ikke at kunstigt udvikle vores art. I stedet kan kunstige kromosomer bruges til at transportere store bidder af humant genetisk materiale eller genredigeringsværktøjer ind i celler. Sammenlignet med nuværende leveringssystemer - virusbærere eller nanopartikler - kan kunstige kromosomer inkorporere langt mere syntetisk DNA.

I teorien kunne de være designet til at overføre terapeutiske gener til mennesker med genetiske lidelser eller tilføje beskyttende mod kræft.

På trods af mere end to årtiers forskning er teknologien endnu ikke gået ind i mainstream. En udfordring er, at de korte DNA-segmenter, der forbinder sig for at danne kromosomerne, klæber sammen, når de er inde i cellerne, hvilket gør det svært at forudsige, hvordan generne vil opføre sig.

Denne måned, en ny undersøgelse fra University of Pennsylvania ændrede den 25 år gamle opskrift og byggede en ny generation af kunstige kromosomer. Sammenlignet med deres forgængere er de nye kromosomer lettere at konstruere og bruger længere DNA-segmenter, der ikke klumper sig en gang inde i celler. De er også en stor bærer, som i teorien kunne transportere genetisk materiale omtrent på størrelse med det største gærkromosom ind i menneskelige celler.

"I bund og grund lavede vi en komplet revision af den gamle tilgang til HAC [humant kunstigt kromosom] design og levering," undersøgelsesforfatter Dr. Ben Black sagde i en pressemeddelelse.

"Arbejdet vil sandsynligvis genoplive indsatsen for at konstruere kunstige kromosomer i både dyr og planter," skrev University of Georgias Dr. R. Kelly Dawe, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Form af dig

Siden 1997 er kunstige genomer blevet en etableret bioteknologi. De er blevet brugt til at omskrive DNA i bakterier, gær og planter, hvilket resulterer i celler, der kan syntetisere livreddende medicin eller spise plastik. De kunne også hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå funktionerne af de mystiske DNA-sekvenser, der er spredt rundt i vores genom.

Teknologien skabte også de første syntetiske organismer. I slutningen af ​​2023, videnskabsmænd afslørede gærceller med halvdelen af ​​deres gener erstattet af kunstigt DNA - holdet håber på til sidst at tilpasse hvert enkelt kromosom. Tidligere i år, en anden undersøgelse omarbejdede dele af en plantes kromosom, hvilket yderligere skubber grænserne for syntetiske organismer.

Og ved at pille ved kromosomernes strukturer – for eksempel ved at afskære formodede ubrugelige områder – kan vi bedre forstå, hvordan de normalt fungerer, hvilket potentielt kan føre til behandlinger for sygdomme.

Målet med at bygge menneskelige kunstige kromosomer er ikke at konstruere syntetiske menneskelige celler. Det er snarere meningen, at arbejdet skal fremme genterapi. Nuværende metoder til at bære terapeutiske gener eller genredigeringsværktøjer ind i celler er afhængige af vira eller nanopartikler. Men disse luftfartsselskaber har begrænset fragtkapacitet.

Hvis nuværende leveringskøretøjer er som sejlbåde, er kunstige menneskelige kromosomer som fragtskibe med kapacitet til at bære et langt større og bredere udvalg af gener.

Problemet? De er svære at bygge. I modsætning til bakterier eller gærkromosomer, som er cirkulære i form, er vores kromosomer som et "X". I midten af ​​hver er en proteinhub kaldet centromeren, der tillader kromosomet at adskille og replikere, når en celle deler sig.

På en måde er centromeren som en knap, der holder flossede stykker stof - kromosomets arme - intakte. Tidligere bestræbelser på at bygge menneskelige kunstige kromosomer fokuserede på disse strukturer og udtrak DNA-bogstaver, der kunne udtrykke proteiner inde i menneskelige celler for at forankre kromosomerne. Imidlertid greb disse DNA-sekvenser hurtigt fast i sig selv som dobbeltsidet tape, og endte i kugler, der gjorde det svært for cellerne at få adgang til de tilføjede gener.

En årsag kunne være, at de syntetiske DNA-sekvenser var for korte, hvilket gjorde minikromosomkomponenterne upålidelige. Den nye undersøgelse testede ideen ved at konstruere en langt større menneskelig kromosomsamling end før.

Otte er lykketallet

I stedet for et X-formet kromosom designet holdet deres menneskelige kunstige kromosom som en cirkel, som er kompatibel med replikation i gær. Cirklen pakkede en heftig 760,000 DNA-bogstavpar - omkring 1/200 størrelsen af ​​et helt menneskeligt kromosom.

Inde i cirklen var genetiske instruktioner til at lave en mere robust centromer - "knappen", der holder kromosomstrukturen intakt og kan få den til at replikere. Når knappen først blev udtrykt inde i en gærcelle, rekrutterede den gærens molekylære maskineri til at bygge et sundt menneskeligt kunstigt kromosom.

I sin oprindelige cirkulære form i gærceller kunne det syntetiske menneskelige kromosom derefter overføres direkte til menneskelige celler gennem en proces kaldet cellefusion. Forskere fjernede "indpakningerne" omkring gærceller med kemiske behandlinger, hvilket tillod cellernes komponenter - inklusive det kunstige kromosom - at smelte direkte ind i menneskelige celler inde i petriskåle.

Ligesom velvillige rumvæsner integrerede de tilføjede syntetiske kromosomer lykkeligt i deres menneskelige værtsceller. I stedet for at klumpe sig sammen til skadeligt affald, fordobledes cirklerne til en ottetalsform, hvor centromeren holdt cirklerne sammen. De kunstige kromosomer eksisterede heldigvis sammen med oprindelige X-formede, uden at ændre deres normale funktioner.

For genterapi er det vigtigt, at eventuelle tilføjede gener forbliver inde i kroppen, selvom celler deler sig. Denne frynsegode er især vigtig for hurtigt-delende celler som cancer, som hurtigt kan tilpasse sig terapier. Hvis et syntetisk kromosom er fyldt med kendte kræfthæmmende gener, kan det holde kræft og andre sygdomme i skak gennem generationer af celler.

De kunstige menneskelige kromosomer bestod testen. De rekrutterede proteiner fra de menneskelige værtsceller for at hjælpe dem med at sprede sig, når cellerne delte sig, og dermed bevare de kunstige gener gennem generationer.

En vækkelse

Meget har ændret sig siden de første menneskelige kunstige kromosomer.

Genredigeringsværktøjer, såsom CRISPR, har gjort det nemmere at omskrive vores genetiske plan. Leveringsmekanismer, der retter sig mod specifikke organer eller væv, er i fremmarch. Men syntetiske kromosomer er måske ved at genvinde noget af rampelyset.

I modsætning til virale bærere, det oftest anvendte leveringsmiddel til genterapier eller genredaktører, kan kunstige kromosomer ikke tunnelere ind i vores genom og forstyrre normal genekspression - hvilket gør dem potentielt langt sikrere.

Teknologien har dog sårbarheder. De konstruerede kromosomer går stadig ofte tabt, når celler deler sig. Syntetiske gener placeret nær centromeren - kromosomets "knap" - kan også forstyrre det kunstige kromosoms evne til at replikere og adskilles, når celler deler sig.

Men for Dawe har undersøgelsen større implikationer end menneskelige celler alene. Principperne for re-engineering af centromerer vist i denne undersøgelse kunne bruges til gær og potentielt være "anvendelige på tværs af kongeriger" af levende organismer.

Metoden kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at modellere menneskelige sygdomme eller producere lægemidler og vacciner. Mere generelt: "Det kan snart være muligt at inkludere kunstige kromosomer som en del af et ekspanderende værktøjssæt til at løse globale udfordringer relateret til sundhedspleje, husdyr og produktion af mad og fibre," skrev han.

Billede Credit: Warren Umoh / Unsplash

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/