طرح ژنتیکی انسان به طرز فریبنده ای ساده است. ژن های ما به 46 ساختار X شکل به نام کروموزوم زخمی شده اند. آنها که توسط تکامل ساخته شده‌اند، حامل DNA هستند و هنگام تقسیم سلول‌ها تکثیر می‌شوند و ثبات ژنوم ما را در طول نسل‌ها تضمین می‌کنند.

در سال 1997، یک مطالعه کتاب بازی تکامل را اژدر کرد. برای اولین باریک تیم با استفاده از مهندسی ژنتیک کروموزوم انسانی مصنوعی ایجاد کردند. هنگامی که کروموزوم مصنوعی در یک ظرف پتری به سلول انسانی تحویل داده شد، رفتاری بسیار شبیه به همتایان طبیعی خود داشت. با تقسیم سلول ها تکثیر شد و به سلول های انسانی با 47 کروموزوم منجر شد.

مطمئن باشید، هدف تکامل مصنوعی گونه ما نبود. در عوض، کروموزوم های مصنوعی را می توان برای حمل تکه های بزرگی از مواد ژنتیکی انسان یا ابزارهای ویرایش ژن به داخل سلول ها استفاده کرد. کروموزوم های مصنوعی در مقایسه با سیستم های انتقال فعلی - حامل های ویروس یا نانوذرات - می توانند DNA مصنوعی بسیار بیشتری را در خود جای دهند.

در تئوری، آنها می‌توانند برای انتقال ژن‌های درمانی به افراد مبتلا به اختلالات ژنتیکی یا افزودن ژن‌های محافظتی در برابر سرطان طراحی شوند.

با وجود بیش از دو دهه تحقیق، این فناوری هنوز وارد جریان اصلی نشده است. یکی از چالش‌ها این است که بخش‌های DNA کوتاهی که برای تشکیل کروموزوم‌ها به هم متصل می‌شوند، یک بار در داخل سلول‌ها به هم می‌چسبند و پیش‌بینی نحوه رفتار ژن‌ها را دشوار می‌کند.

این ماه، یک مطالعه جدید از دانشگاه پنسیلوانیا دستور پخت 25 ساله را تغییر داد و نسل جدیدی از کروموزوم های مصنوعی ساخت. کروموزوم‌های جدید در مقایسه با نسل‌های قبلی‌شان، ساده‌تر مهندسی می‌شوند و از قطعات DNA طولانی‌تری استفاده می‌کنند که یک بار داخل سلول‌ها جمع نمی‌شوند. آنها همچنین حامل بزرگی هستند که در تئوری می توانند مواد ژنتیکی را به اندازه بزرگ ترین کروموزوم مخمر به سلول های انسانی انتقال دهند.

دکتر بن بلک، نویسنده این مطالعه، «در اصل، ما یک بازنگری کامل از رویکرد قدیمی برای طراحی و تحویل HAC [کروموزوم مصنوعی انسانی] انجام دادیم. گفت: در یک انتشار مطبوعاتی.

این کار احتمالاً تلاش‌ها را برای مهندسی کروموزوم‌های مصنوعی هم در حیوانات و هم در گیاهان تقویت می‌کند.» نوشت دکتر R. Kelly Dawe از دانشگاه جورجیا که در این مطالعه شرکت نداشت.

شکل شما

از سال 1997، ژنوم های مصنوعی به یک بیوتکنولوژی تثبیت شده تبدیل شده اند. آنها برای بازنویسی DNA در باکتری‌ها، مخمرها و گیاهان استفاده شده‌اند و در نتیجه سلول‌هایی ساخته می‌شوند که می‌توانند داروهای نجات‌دهنده یا سنتز کنند. پلاستیک بخور. آنها همچنین می‌توانند به دانشمندان کمک کنند تا عملکرد توالی‌های DNA مرموز را که در سرتاسر ژنوم ما پراکنده شده‌اند، درک کنند.

این فناوری همچنین اولین موجودات مصنوعی را به وجود آورد. در اواخر سال 2023، دانشمندان سلول های مخمر را نشان داد با جایگزینی نیمی از ژن‌های آن‌ها با DNA مصنوعی - این تیم امیدوار است که در نهایت هر کروموزوم را شخصی‌سازی کند. اوایل امسال، مطالعه دیگری بخش هایی از کروموزوم یک گیاه را بازسازی کرده و مرزهای موجودات مصنوعی را بیشتر می کند.

و با به هم زدن ساختار کروموزوم ها - برای مثال، بریدن مناطق مشکوک به بی فایده - ما می توانیم بهتر درک کنیم که آنها به طور معمول چگونه عمل می کنند و به طور بالقوه منجر به درمان بیماری ها می شوند.

هدف از ساخت کروموزوم های مصنوعی انسان مهندسی سلول های مصنوعی انسان نیست. در عوض، کار به منظور پیشبرد ژن درمانی است. روش‌های فعلی برای حمل ژن‌های درمانی یا ابزارهای ویرایش ژن به درون سلول‌ها به ویروس‌ها یا نانوذرات متکی هستند. اما این حامل ها ظرفیت بار محدودی دارند.

اگر وسایل نقلیه تحویل فعلی مانند قایق های بادبانی باشند، کروموزوم های مصنوعی انسان مانند کشتی های باری هستند که ظرفیت حمل طیف وسیع تر و وسیع تری از ژن ها را دارند.

مشکل؟ ساختنشون سخته برخلاف باکتری‌ها یا کروموزوم‌های مخمر که شکل دایره‌ای دارند، کروموزوم‌های ما شبیه «X» هستند. در مرکز هر کدام یک هاب پروتئینی به نام سانترومر وجود دارد که به کروموزوم اجازه جدا شدن و تکثیر در هنگام تقسیم یک سلول را می دهد.

به نوعی، سانترومر مانند دکمه ای است که تکه های پارچه ساییده شده - بازوهای کروموزوم - را دست نخورده نگه می دارد. تلاش‌های قبلی برای ساخت کروموزوم‌های مصنوعی انسان بر روی این ساختارها متمرکز بود و حروف DNA را استخراج می‌کرد که می‌توانست پروتئین‌های درون سلول‌های انسانی را برای لنگر انداختن کروموزوم‌ها بیان کند. با این حال، این توالی‌های DNA به سرعت مانند نوار دو طرفه به خود چسبیدند و به توپ‌هایی ختم می‌شدند که دسترسی سلول‌ها به ژن‌های اضافه‌شده را دشوار می‌کرد.

یک دلیل می‌تواند این باشد که توالی‌های DNA مصنوعی خیلی کوتاه بودند، که باعث می‌شود اجزای کوچک کروموزوم غیرقابل اعتماد باشند. مطالعه جدید این ایده را با مهندسی یک مجموعه کروموزوم انسانی بسیار بزرگتر از قبل آزمایش کرد.

هشت عدد خوش شانس است

این تیم به جای یک کروموزوم X شکل، کروموزوم مصنوعی انسانی خود را به صورت دایره ای طراحی کردند که با همانندسازی در مخمر سازگار است. این دایره دارای 760,000 جفت حرف دی‌ان‌ای بود که تقریباً 1/200 به اندازه کل کروموزوم انسان است.

در داخل دایره دستورالعمل‌های ژنتیکی برای ساختن سانترومر محکم‌تر وجود داشت – «دکمه‌ای» که ساختار کروموزوم را دست نخورده نگه می‌دارد و می‌تواند آن را همانندسازی کند. هنگامی که این دکمه در داخل یک سلول مخمر بیان شد، ماشین آلات مولکولی مخمر را برای ساخت یک کروموزوم مصنوعی انسان سالم به کار گرفت.

در شکل دایره‌ای اولیه‌اش در سلول‌های مخمر، کروموزوم مصنوعی انسان می‌تواند مستقیماً از طریق فرآیندی به نام همجوشی سلولی به سلول‌های انسانی منتقل شود. دانشمندان با استفاده از روش‌های شیمیایی، لفاف‌های اطراف سلول‌های مخمر را حذف کردند و به اجزای سلول‌ها - از جمله کروموزوم مصنوعی - اجازه دادند که مستقیماً در سلول‌های انسانی درون ظرف‌های پتری ادغام شوند.

مانند فرازمینی های خیرخواه، کروموزوم های مصنوعی اضافه شده با خوشحالی در سلول های میزبان انسانی خود ادغام شدند. این دایره ها به جای انباشته شدن در زباله های مضر، دو برابر شدند و به شکل هشت در آمدند و سانترومر دایره ها را کنار هم نگه می داشت. کروموزوم های مصنوعی با خوشحالی با کروموزوم های X شکل بومی همزیستی داشتند، بدون اینکه عملکرد طبیعی خود را تغییر دهند.

برای ژن درمانی، ضروری است که هر ژن اضافه شده در بدن حتی با تقسیم سلولی باقی بماند. این مزیت به ویژه برای سلول‌هایی که به سرعت تقسیم می‌شوند مانند سرطان که می‌توانند به سرعت با درمان‌ها سازگار شوند، مهم است. اگر یک کروموزوم مصنوعی مملو از ژن‌های شناخته‌شده سرکوب‌کننده سرطان باشد، می‌تواند سرطان‌ها و سایر بیماری‌ها را در طول نسل‌های سلولی کنترل کند.

کروموزوم های مصنوعی انسان این آزمایش را با موفقیت پشت سر گذاشتند. آن‌ها پروتئین‌هایی را از سلول‌های میزبان انسانی به‌کار گرفتند تا در هنگام تقسیم سلول‌ها به گسترش آنها کمک کنند، بنابراین ژن‌های مصنوعی را در طول نسل‌ها حفظ کردند.

یک احیاء

از زمان پیدایش اولین کروموزوم های مصنوعی انسان تغییرات زیادی کرده است.

ابزارهای ویرایش ژن، مانند CRISPR، بازنویسی طرح ژنتیکی ما را آسان‌تر کرده است. مکانیسم های زایمانی که اندام ها یا بافت های خاصی را هدف قرار می دهند در حال افزایش هستند. اما کروموزوم های مصنوعی ممکن است بخشی از توجه را به خود جلب کنند.

کروموزوم‌های مصنوعی برخلاف حامل‌های ویروسی، که اغلب برای ژن درمانی‌ها یا ویرایشگرهای ژنی مورد استفاده قرار می‌گیرند، نمی‌توانند به ژنوم ما تونل بزنند و بیان ژن طبیعی را مختل کنند و به طور بالقوه ایمن‌تر شوند.

اگرچه این فناوری دارای آسیب پذیری هایی است. کروموزوم های مهندسی شده هنوز در هنگام تقسیم سلولی از بین می روند. ژن‌های مصنوعی که در نزدیکی سانترومر (دکمه) کروموزوم قرار می‌گیرند، ممکن است توانایی کروموزوم مصنوعی برای تکثیر و جدا شدن را در هنگام تقسیم سلولی مختل کنند.

اما برای داو، این مطالعه پیامدهای بزرگ تری نسبت به سلول های انسانی به تنهایی دارد. اصول مهندسی مجدد سانترومرها که در این مطالعه نشان داده شده است می تواند برای مخمرها استفاده شود و به طور بالقوه "در سراسر پادشاهی" موجودات زنده قابل استفاده باشد.

این روش می‌تواند به دانشمندان در مدل‌سازی بهتر بیماری‌های انسانی یا تولید دارو و واکسن کمک کند. او نوشت: «به‌زودی می‌توان کروموزوم‌های مصنوعی را به عنوان بخشی از ابزار در حال گسترش برای رسیدگی به چالش‌های جهانی مربوط به مراقبت‌های بهداشتی، دام و تولید غذا و فیبر گنجاند.»

تصویر های اعتباری: وارن اومو / می Unsplash

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/