Τα ανθρώπινα τεχνητά χρωμοσώματα (HACs) που μπορούν να λειτουργήσουν μέσα στα ανθρώπινα κύτταρα θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν προηγμένες γονιδιακές θεραπείες, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που αφορούν ορισμένες μορφές καρκίνου, καθώς και πολλές εργαστηριακές εφαρμογές, αν και σοβαρά τεχνικά εμπόδια έχουν εμποδίσει την ανάπτυξή τους. Τώρα, μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές της Ιατρικής Σχολής Perelman του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια πραγματοποίησε μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα αυτό, η οποία παρακάμπτει αποτελεσματικά ένα κοινό εμπόδιο.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Science, οι ερευνητές εξήγησαν πώς επινόησαν μια αποτελεσματική τεχνική για την κατασκευή HACs από μεμονωμένες, μεγάλες κατασκευές σχεδιασμένου DNA. Οι προηγούμενες μέθοδοι για την κατασκευή HACs περιορίζονταν από το γεγονός ότι οι κατασκευές DNA που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους τείνουν να ενώνονται μεταξύ τους – “πολυμερίζονται”- σε απρόβλεπτα μεγάλες σειρές και με απρόβλεπτες αναδιατάξεις.
Η νέα μέθοδος επιτρέπει την ταχύτερη και ακριβέστερη κατασκευή των HACs, η οποία με τη σειρά της θα επιταχύνει άμεσα τον ρυθμό με τον οποίο μπορεί να γίνει η έρευνα του DNA. Με την πάροδο του χρόνου, με ένα αποτελεσματικό σύστημα διανομής, η τεχνική αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερες μηχανικές κυτταρικές θεραπείες για ασθένειες όπως ο καρκίνος.
“Ουσιαστικά, κάναμε μια πλήρη αναθεώρηση της παλιάς προσέγγισης για το σχεδιασμό και την παράδοση HAC”, δήλωσε ο Ben Black, Ph.D., καθηγητής Βιοχημείας και Βιοφυσικής του Ιδρύματος Eldridge Reeves Johnson στο Penn. “Η HAC που κατασκευάσαμε είναι πολύ ελκυστική για ενδεχόμενη ανάπτυξη σε εφαρμογές βιοτεχνολογίας, για παράδειγμα, όπου είναι επιθυμητή η γενετική μηχανική των κυττάρων σε μεγάλη κλίμακα. Ένα πλεονέκτημα είναι ότι υπάρχουν παράλληλα με τα φυσικά χρωμοσώματα χωρίς να χρειάζεται να τροποποιηθούν τα φυσικά χρωμοσώματα στο κύτταρο”.
Τα πρώτα HACs αναπτύχθηκαν πριν από 25 χρόνια, και η τεχνολογία τεχνητών χρωμοσωμάτων είναι ήδη πολύ προχωρημένη για τα μικρότερα, απλούστερα χρωμοσώματα των κατώτερων οργανισμών, όπως τα βακτήρια και η ζύμη. Τα ανθρώπινα χρωμοσώματα είναι άλλο θέμα, κυρίως λόγω των μεγαλύτερων μεγεθών τους και των πιο πολύπλοκων κεντρομερών τους, της κεντρικής περιοχής όπου ενώνονται οι βραχίονες των χρωμοσωμάτων σχήματος Χ.
Οι ερευνητές έχουν καταφέρει να σχηματίσουν μικρά τεχνητά ανθρώπινα χρωμοσώματα από αυτοσυνδεόμενα μήκη DNA που προστίθενται στα κύτταρα, αλλά αυτά τα μήκη DNA πολυμερίζονται με απρόβλεπτες οργανώσεις και αριθμούς αντιγράφων – γεγονός που δυσχεραίνει τη θεραπευτική ή επιστημονική τους χρήση – και τα προκύπτοντα HACs καταλήγουν μερικές φορές να ενσωματώνουν ακόμη και κομμάτια φυσικών χρωμοσωμάτων από τα κύτταρα-ξενιστές τους, καθιστώντας αναξιόπιστες τις επεμβάσεις σε αυτά.
Στη μελέτη τους, οι ερευνητές της Penn Medicine επινόησαν βελτιωμένα HACs με πολλαπλές καινοτομίες: Αυτές περιελάμβαναν μεγαλύτερες αρχικές κατασκευές DNA που περιέχουν μεγαλύτερα και πιο σύνθετα κεντρομερή, τα οποία επιτρέπουν στα HACs να σχηματίζονται από μεμονωμένα αντίγραφα αυτών των κατασκευών. Για την παράδοση σε κύτταρα, χρησιμοποίησαν ένα σύστημα παράδοσης με βάση τα κύτταρα ζύμης, ικανό να μεταφέρει μεγαλύτερα φορτία.
“Αντί να προσπαθήσουμε να αναστείλουμε τον πολυμερισμό, για παράδειγμα, απλώς παρακάμψαμε το πρόβλημα αυξάνοντας το μέγεθος της κατασκευής DNA εισόδου, έτσι ώστε να τείνει φυσικά να παραμείνει σε προβλέψιμη μορφή ενός αντιγράφου”, δήλωσε ο Black.
Οι ερευνητές έδειξαν ότι η μέθοδός τους ήταν πολύ πιο αποτελεσματική στη δημιουργία βιώσιμων HACs σε σύγκριση με τις συνήθεις μεθόδους και απέδωσε HACs που μπορούσαν να αναπαραχθούν κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης.
Τα πιθανά πλεονεκτήματα των τεχνητών χρωμοσωμάτων -υποθέτοντας ότι μπορούν να παραδοθούν εύκολα στα κύτταρα και να λειτουργήσουν όπως τα φυσικά χρωμοσώματα- είναι πολλά. Θα προσέφεραν ασφαλέστερες, πιο παραγωγικές και πιο ανθεκτικές πλατφόρμες για την έκφραση θεραπευτικών γονιδίων, σε αντίθεση με τα συστήματα γονιδιακής παροχής με βάση τους ιούς, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν ανοσολογικές αντιδράσεις και να περιλαμβάνουν επιβλαβή ιική εισαγωγή στα φυσικά χρωμοσώματα.
Η φυσιολογική γονιδιακή έκφραση στα κύτταρα απαιτεί επίσης πολλούς τοπικούς και απομακρυσμένους ρυθμιστικούς παράγοντες, οι οποίοι είναι πρακτικά αδύνατο να αναπαραχθούν τεχνητά εκτός ενός πλαισίου που μοιάζει με χρωμόσωμα. Επιπλέον, τα τεχνητά χρωμοσώματα, σε αντίθεση με τους σχετικά περιορισμένους ιικούς φορείς, θα επέτρεπαν την έκφραση μεγάλων, συνεργατικών συνόλων γονιδίων, για παράδειγμα για την κατασκευή πολύπλοκων πρωτεϊνικών μηχανών.
Ο Black αναμένει ότι η ίδια ευρεία προσέγγιση που ακολούθησε η ομάδα του σε αυτή τη μελέτη θα είναι χρήσιμη για την κατασκευή τεχνητών χρωμοσωμάτων για άλλους ανώτερους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των φυτών για γεωργικές εφαρμογές, όπως καλλιέργειες ανθεκτικές στα παράσιτα και υψηλής απόδοσης.
Στη μελέτη συμμετείχαν επίσης ερευνητές από το Ινστιτούτο J. Craig Venter, το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο Darmstadt.