Naukowcy z Uniwersytetu w Pensylwanii dokonali istotnego przełomu w technologii sztucznych chromosomów ludzkich, opracowując nową metodę upraszczającą konstrukcję HAC. Ta innowacja może przyspieszyć badania DNA i może znacząco wpłynąć na terapię genową i biotechnologię, oferując niezawodną alternatywę dla obecnych systemów dostarczania genów i poszerzając potencjał inżynierii genetycznej w różnych dziedzinach.

Naukowcy wskazują, że technika ta zwiększy efektywność badań laboratoryjnych i poszerzy zakres terapii genowej.

Sztuczne ludzkie chromosomy funkcjonujące w ludzkich komórkach mogą potencjalnie zrewolucjonizować terapie genowe, w tym metody leczenia niektórych nowotworów, i mają liczne zastosowania laboratoryjne. Jednak poważne wyzwania techniczne utrudniają ich postęp.

Teraz zespół kierowany przez naukowców z Perelman School of Medicine na Uniwersytecie Pensylwanii dokonał znaczącego przełomu w tej dziedzinie, który skutecznie omija powszechnie spotykaną przeszkodę.

W badaniu opublikowanym niedawno w Naukabadacze wyjaśnili, w jaki sposób opracowali skuteczną technikę wytwarzania HAC z pojedynczych, długich konstrukcji zaprojektowanych przez projektanta DNA. Wcześniejsze metody wytwarzania HAC były ograniczone faktem, że konstrukty DNA użyte do ich wytworzenia mają tendencję do łączenia się ze sobą – „multimeryzowania” – w nieprzewidywalnie długich seriach i z nieprzewidywalnymi rearanżacjami. Nowa metoda umożliwia szybsze i dokładniejsze wytwarzanie HAC, co z kolei bezpośrednio przyspieszy tempo prowadzenia badań DNA. Z czasem, dzięki skutecznemu systemowi dostarczania, technika ta może doprowadzić do opracowania lepiej opracowanych terapii komórkowych w leczeniu chorób takich jak rak.

Remont projektu HAC

„Zasadniczo dokonaliśmy całkowitej zmiany starego podejścia do projektowania i dostarczania HAC” – powiedział dr Ben Black, profesor biochemii i biofizyki Fundacji Eldridge’a Reevesa Johnsona w Penn. „Zbudowany przez nas HAC jest bardzo atrakcyjny do ewentualnego zastosowania na przykład w zastosowaniach biotechnologicznych, gdzie pożądana jest inżynieria genetyczna komórek na dużą skalę. Zaletą jest to, że istnieją obok naturalnych chromosomów, bez konieczności zmiany naturalnych chromosomów w komórce”.

Pierwsze HAC opracowano 25 lat temu, a technologia sztucznych chromosomów jest już bardzo zaawansowana w przypadku mniejszych, prostszych chromosomów organizmów niższych, takich jak bakterie i drożdże. Ludzkie chromosomy to inna sprawa, głównie ze względu na ich większe rozmiary i bardziej złożone centromery, centralny obszar, w którym łączą się ramiona chromosomów w kształcie X. Naukowcom udało się stworzyć małe sztuczne ludzkie chromosomy z samołączących się odcinków DNA dodanego do komórek, ale te długości DNA multimeryzują z nieprzewidywalnymi organizacjami i liczbą kopii, co komplikuje ich zastosowanie terapeutyczne lub naukowe, a powstałe HAC czasami nawet się kończą włączając fragmenty naturalnych chromosomów z komórek gospodarza, przez co dokonywanie w nich zmian staje się niewiarygodne.

W swoim badaniu badacze z Penn Medicine opracowali ulepszone HAC z wieloma innowacjami: obejmowały one większe początkowe konstrukty DNA zawierające większe i bardziej złożone centromery, które umożliwiają tworzenie HAC z pojedynczych kopii tych konstruktów. Do dostarczania do komórek wykorzystano system dostarczania oparty na komórkach drożdży, zdolny do przenoszenia większych ładunków.

„Zamiast na przykład próbować hamować multimeryzację, po prostu ominęliśmy ten problem, zwiększając rozmiar wejściowego konstruktu DNA, tak aby w naturalny sposób pozostawał on w przewidywalnej formie pojedynczej kopii” – powiedział Black.

Naukowcy wykazali, że ich metoda była znacznie skuteczniejsza w tworzeniu żywotnych HAC w porównaniu do metod standardowych i pozwoliła uzyskać HAC, które mogły się rozmnażać podczas podziału komórki.

Zalety i przyszłe zastosowania

Potencjalnych zalet sztucznych chromosomów – zakładając, że można je łatwo dostarczyć do komórek i działać jak naturalne chromosomy – jest wiele. W przeciwieństwie do nich oferowałyby bezpieczniejsze, bardziej produktywne i trwalsze platformy do ekspresji genów terapeutycznych wirusoparte na systemach dostarczania genów, które mogą wywoływać reakcje immunologiczne i obejmować szkodliwe wstawienie wirusa do naturalnych chromosomów. Normalna ekspresja genów w komórkach wymaga również wielu lokalnych i odległych czynników regulacyjnych, których sztuczna reprodukcja poza kontekstem przypominającym chromosom jest praktycznie niemożliwa. Co więcej, sztuczne chromosomy, w przeciwieństwie do stosunkowo ciasnych wektorów wirusowych, umożliwiłyby ekspresję dużych, współpracujących zespołów genów, na przykład w celu konstruowania złożonych maszyn białkowych.

Black spodziewa się, że to samo szerokie podejście, jakie przyjęła jego grupa w tym badaniu, będzie przydatne w wytwarzaniu sztucznych chromosomów dla innych organizmów wyższych, w tym roślin do zastosowań rolniczych, takich jak rośliny uprawne odporne na szkodniki i wysokowydajne.

Odniesienie: „Efektywne tworzenie pojedynczych kopii ludzkich sztucznych chromosomów”: 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 i Ben E. Black, 21 marca 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adj3566

W badania zaangażowani byli także naukowcy z Instytutu J. Craiga Ventera, Uniwersytetu w Edynburgu i Politechniki w Darmstadt.

Prace wsparł m.in Narodowy Instytut Zdrowia (GM130302, HG012445, CA261198 i GM007229).