Τα ανθρώπινα τεχνητά χρωμοσώματα (HACs) που λειτουργούν μέσα στα ανθρώπινα κύτταρα έχουν τη δυνατότητα να φέρουν επανάσταση στις γονιδιακές θεραπείες, συμπεριλαμβανομένων θεραπειών για ορισμένους καρκίνους, και έχουν πολυάριθμες εργαστηριακές χρήσεις. Ωστόσο, σημαντικές τεχνικές προκλήσεις εμπόδισαν την πρόοδό τους.

Τώρα μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές της Ιατρικής Σχολής Perelman στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια έχει κάνει μια σημαντική ανακάλυψη σε αυτόν τον τομέα που ουσιαστικά παρακάμπτει ένα κοινό εμπόδιο.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Science , οι ερευνητές εξήγησαν πώς επινόησαν μια αποτελεσματική τεχνική για την κατασκευή HAC από μεμονωμένες, μακριές κατασκευές σχεδιαστικού DNA . Οι προηγούμενες μέθοδοι για την κατασκευή των HAC περιορίζονταν από το γεγονός ότι οι κατασκευές DNA που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή τους τείνουν να ενώνονται μεταξύ τους – «πολλαπλασιάζονται» – σε απρόβλεπτα μεγάλες σειρές και με απρόβλεπτες αναδιατάξεις.

Η νέα μέθοδος επιτρέπει στα HAC να κατασκευαστούν πιο γρήγορα και με ακρίβεια, κάτι που με τη σειρά του θα επιταχύνει άμεσα τον ρυθμό με τον οποίο μπορεί να γίνει η έρευνα DNA. Με τον καιρό, με ένα αποτελεσματικό σύστημα χορήγησης, αυτή η τεχνική θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερα σχεδιασμένες κυτταρικές θεραπείες για ασθένειες όπως ο καρκίνος.

Γενική επισκευή σχεδίασης HAC
«Ουσιαστικά, κάναμε μια πλήρη αναθεώρηση της παλιάς προσέγγισης στο σχεδιασμό και την παράδοση HAC», δήλωσε ο Ben Black, PhD, Καθηγητής Βιοχημείας και Βιοφυσικής του Ιδρύματος Eldridge Reeves Johnson στο Penn. «Το HAC που κατασκευάσαμε είναι πολύ ελκυστικό για ενδεχόμενη ανάπτυξη σε εφαρμογές βιοτεχνολογίας, για παράδειγμα, όπου επιθυμείται μεγάλης κλίμακας γενετική μηχανική κυττάρων. Ένα πλεονέκτημα είναι ότι υπάρχουν παράλληλα με τα φυσικά χρωμοσώματα χωρίς να χρειάζεται να αλλάξουν τα φυσικά χρωμοσώματα στο κύτταρο».

Τα πρώτα HAC αναπτύχθηκαν πριν από 25 χρόνια και η τεχνολογία τεχνητών χρωμοσωμάτων είναι ήδη καλά προηγμένη για τα μικρότερα, απλούστερα χρωμοσώματα κατώτερων οργανισμών όπως τα βακτήρια και οι ζυμομύκητες. Τα ανθρώπινα χρωμοσώματα είναι ένα άλλο θέμα, λόγω κυρίως των μεγαλύτερων μεγεθών και των πιο πολύπλοκων κεντρομερών τους, της κεντρικής περιοχής όπου ενώνονται οι βραχίονες των χρωμοσωμάτων σε σχήμα Χ.

Οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν μικρά τεχνητά ανθρώπινα χρωμοσώματα από αυτοσυνδεόμενα μήκη DNA που προστέθηκαν στα κύτταρα, αλλά αυτά τα μήκη DNA πολλαπλασιάζονται με απρόβλεπτους οργανισμούς και αριθμούς αντιγράφων – περιπλέκοντας τη θεραπευτική ή επιστημονική τους χρήση – και τα προκύπτοντα HAC μερικές φορές τελειώνουν ενσωματώνοντας κομμάτια φυσικών χρωμοσωμάτων από τα κύτταρα-ξενιστές τους, καθιστώντας τις τροποποιήσεις σε αυτά αναξιόπιστες.

Στη μελέτη τους, οι ερευνητές της Penn Medicine επινόησαν βελτιωμένα HAC με πολλαπλές καινοτομίες: Αυτές περιελάμβαναν μεγαλύτερα αρχικά κατασκευάσματα DNA που περιέχουν μεγαλύτερα και πιο πολύπλοκα κεντρομερή, τα οποία επιτρέπουν στα HAC να σχηματίζονται από μεμονωμένα αντίγραφα αυτών των δομών. Για την παράδοση στα κύτταρα, χρησιμοποίησαν ένα σύστημα παράδοσης βασισμένο σε κύτταρα ζύμης, ικανό να μεταφέρει μεγαλύτερα φορτία.

«Αντί να προσπαθήσουμε να αναστείλουμε τον πολυμερισμό, για παράδειγμα, απλώς παρακάμψαμε το πρόβλημα αυξάνοντας το μέγεθος του κατασκευάσματος του DNA εισόδου, έτσι ώστε έτεινε με φυσικό τρόπο να παραμείνει σε προβλέψιμη μορφή ενός αντιγράφου», είπε ο Black.

Οι ερευνητές έδειξαν ότι η μέθοδός τους ήταν πολύ πιο αποτελεσματική στο σχηματισμό βιώσιμων HAC σε σύγκριση με τις τυπικές μεθόδους και έδωσε HAC που μπορούσαν να αναπαραχθούν κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης.

Πλεονεκτήματα και μελλοντικές εφαρμογές
Τα πιθανά πλεονεκτήματα των τεχνητών χρωμοσωμάτων —αν υποθέσουμε ότι μπορούν να παραδοθούν εύκολα στα κύτταρα και να λειτουργούν όπως τα φυσικά χρωμοσώματα— είναι πολλά. Θα προσφέρουν ασφαλέστερες, πιο παραγωγικές και πιο ανθεκτικές πλατφόρμες για την έκφραση θεραπευτικών γονιδίων, σε αντίθεση με τα συστήματα γονιδιακής παράδοσης που βασίζονται σε ιούς που μπορούν να πυροδοτήσουν ανοσολογικές αντιδράσεις και να περιλαμβάνουν επιβλαβή ιική εισαγωγή σε φυσικά χρωμοσώματα .

Η φυσιολογική γονιδιακή έκφραση στα κύτταρα απαιτεί επίσης πολλούς τοπικούς και απομακρυσμένους ρυθμιστικούς παράγοντες, οι οποίοι είναι ουσιαστικά αδύνατο να αναπαραχθούν τεχνητά έξω από ένα πλαίσιο που μοιάζει με χρωμόσωμα. Επιπλέον, τα τεχνητά χρωμοσώματα, σε αντίθεση με τους σχετικά περιορισμένους ιικούς φορείς, θα επέτρεπαν την έκφραση μεγάλων, συνεργαζόμενων συνόλων γονιδίων, για παράδειγμα, για την κατασκευή πολύπλοκων μηχανών πρωτεΐνης.

Ο Μπλακ αναμένει ότι η ίδια ευρεία προσέγγιση που ακολούθησε η ομάδα του σε αυτή τη μελέτη θα είναι χρήσιμη για τη δημιουργία τεχνητών χρωμοσωμάτων για άλλους ανώτερους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων φυτών για γεωργικές εφαρμογές, όπως ανθεκτικές στα παράσιτα, καλλιέργειες υψηλής απόδοσης.

Αναφορά: «Αποτελεσματικός σχηματισμός ανθρώπινων τεχνητών χρωμοσωμάτων ενός αντιγράφου» από τους Craig W. Gambogi, Gabriel J. Birchak, Elie Mer, David M. Brown, George Yankson, Kathryn Kixmoeller, Janardan N. Gavade, Josh L. Espinoza, Prakriti Kashyap , Chris L. Dupont, Glennis A. Logsdon, Patrick Heun, John I. Glass and Ben E. Black, 21 Μαρτίου 2024, Science .
DOI: 10.1126/science.adj3566

Στη μελέτη συμμετείχαν επίσης ερευνητές από το Ινστιτούτο J. Craig Venter, το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο Darmstadt.

Η εργασία υποστηρίχθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (GM130302, HG012445, CA261198 και GM007229).

photo: pixabay