Επιστήμονες της Ιατρικής Σχολής Perelman του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια ανέπτυξαν μια νέα τεχνική για τη δημιουργία ανθρώπινων τεχνητών χρωμοσωμάτων (HACs) που θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στις γονιδιακές θεραπείες και σε άλλες εφαρμογές βιοτεχνολογίας. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές επινόησαν μια αποτελεσματική τεχνική για την κατασκευή HACs από μεμονωμένες, μεγάλες κατασκευές σχεδιασμένου DNA, παρακάμπτωντας ένα προηγούμενο εμπόδιο.
Τα τεχνητά χρωμοσώματα είναι εργαστηριακές δομές σχεδιασμένες να μιμούνται τη λειτουργία των φυσικών χρωμοσωμάτων, των συσκευασμένων δεσμών DNA που βρίσκονται στα κύτταρα των ανθρώπων και άλλων οργανισμών. Αυτά τα συνθετικά χρωμοσώματα μπορούν να χρησιμεύσουν ως «οχήματα» για την παροχή θεραπευτικών γονιδίων ή ως εργαλεία για τη μελέτη της βιολογίας των φυσικών χρωμοσωμάτων. Ωστόσο, προηγούμενες προσπάθειες δημιουργίας HAC αντιμετώπιζαν ένα σημαντικό πρόβλημα: τα τμήματα DNA που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους συχνά συνδέονται μεταξύ τους με απρόβλεπτους τρόπους, σχηματίζοντας μακριές, μπερδεμένες αλυσίδες με αναδιαταγμένες αλληλουχίες.
Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Δρα. Μπεν Μπλακ προσπάθησε να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο αναθεωρώντας πλήρως την προσέγγιση του σχεδιασμού και της παράδοσης HAC.
«Το HAC που κατασκευάσαμε είναι πολύ ελκυστικό για ενδεχόμενη ανάπτυξη σε εφαρμογές βιοτεχνολογίας, για παράδειγμα, όπου είναι επιθυμητή η μεγάλης κλίμακας γενετική μηχανική των κυττάρων», εξήγησε ο Μπλακ.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται transformation-associated recombination (TAR) για να συναρμολογήσουν ένα τεράστιο κατασκεύασμα DNA (750 kilobase) σε κύτταρα ζυμομύκητα. Αυτό είναι περίπου 25 φορές μεγαλύτερο από τα κατασκευάσματα που χρησιμοποιήθηκαν σε προηγούμενες μελέτες HAC. Το κατασκεύασμα περιείχε DNA τόσο από ανθρώπινες όσο και από βακτηριακές πηγές, καθώς και αλληλουχίες που βοηθούσαν στον σχηματισμό του κεντρομερούς, της κεντρικής περιοχής όπου ενώνονται οι βραχίονες των χρωμοσωμάτων σχήματος Χ.
Η επόμενη πρόκληση ήταν να παραδοθεί αυτό το μεγάλο ωφέλιμο φορτίο στα ανθρώπινα κύτταρα. Η ομάδα το πέτυχε αυτό με τη σύντηξη των κατασκευασμένων κυττάρων ζυμομύκητα με μια ανθρώπινη κυτταρική σειρά, μια διαδικασία που είχε βελτιστοποιηθεί σε προηγούμενες μελέτες. Αυτή η προσέγγιση σύντηξης αποδείχθηκε πολύ πιο αποτελεσματική από την παραδοσιακή μέθοδο της απευθείας μεταφοράς γυμνού DNA στα κύτταρα.
Τα αποτελέσματα εξέπληξαν τους επιστήμονες. Τα HAC σχηματίστηκαν επιτυχώς με πολύ υψηλότερη απόδοση σε σύγκριση με τις τυπικές μεθόδους. Επιπλέον, αυτά τα τεχνητά χρωμοσώματα μπόρεσαν να αναπαραχθούν και να διαχωριστούν σωστά κατά τη διαίρεση των κυττάρων, μια βασική προϋπόθεση για τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα και λειτουργικότητά τους.
«Αντί να προσπαθήσουμε να αναστείλουμε τον πολυμερισμό, απλώς παρακάμψαμε το πρόβλημα αυξάνοντας το μέγεθος της κατασκευής DNA εισόδου έτσι ώστε να παραμείνει σε προβλέψιμη μορφή ενός αντιγράφου», εξήγησε ο Δρ. Μπλακ.
Όμως οι ερευνητές δεν σταμάτησαν εκεί. Επινόησαν επίσης έναν έξυπνο τρόπο για να απεικονίσουν τα HAC στην εγγενή, μη συμπιεσμένη τους κατάσταση. Με ήπια λύση των κυττάρων και χρησιμοποιώντας μια ειδική τεχνική φυγοκέντρησης, μπόρεσαν να απομονώσουν τα HACs από το υπόλοιπο κυτταρικό DNA. Αυτό τους επέτρεψε να επιβεβαιώσουν ότι τα HAC διατήρησαν την κατάσταση ενός αντιγράφου και την κυκλική τους τοπολογία, χωρίς ανεπιθύμητες αναδιατάξεις ή προσθήκες.
Οι επιπτώσεις αυτής της σημαντικής ανακάλυψης είναι σημαντικές. Τα HAC έχουν τη δυνατότητα να χρησιμεύσουν ως ασφαλέστερες, πιο αποτελεσματικές πλατφόρμες για γονιδιακές θεραπείες σε σύγκριση με τα τρέχοντα συστήματα χορήγησης που βασίζονται σε ιούς και τα οποία μπορούν να πυροδοτήσουν ανοσολογικές αντιδράσεις, ενώ ενέχουν τον κίνδυνο εισαγωγής επιβλαβούς ιικού DNA στο γονιδίωμα του ξενιστή. Τα τεχνητά χρωμοσώματα προσφέρουν επίσης το πλεονέκτημα ότι μπορούν να μεταφέρουν πολύ μεγαλύτερα γενετικά φορτία, επιτρέποντας ενδεχομένως την έκφραση ολόκληρων δικτύων γονιδίων ή πολύπλοκων μηχανών πρωτεϊνών. Πέρα από τις ιατρικές εφαρμογές, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η προσέγγισή τους θα μπορούσε επίσης να είναι πολύτιμη για τη γεωργική βιοτεχνολογία.
Αν και πρέπει ακόμη να βελτιωθεί ο σχεδιασμός αυτών των τεχνητών χρωμοσωμάτων και να αναπτυχθούν κατάλληλες μέθοδοι χορήγησης για θεραπευτική χρήση, αυτό το επίτευγμα αποτελεί ένα σημαντικό άλμα προς τα εμπρός στον σχεδιασμό γονιδιωμάτων. Επιπλέον, αυτή η ανακάλυψη όχι μόνο μας φέρνει πιο κοντά στην αξιοποίηση του πλήρους δυναμικού της γονιδιακής θεραπείας, αλλά παρέχει επίσης μια ισχυρή νέα πλατφόρμα για τη μελέτη της δομής και της λειτουργίας των χρωμοσωμάτων.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Science».
ΠΗΓΗ: Studyfinds
