Tutkijat lähellä maapallon kaiken geneettisen materiaalin hallintaa
PHILADELPHIA – Pennsylvanian yliopiston Perelman School of Medicine -yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän ihmisen keinotekoisten kromosomien (HAC) luomiseksi, joka voi mullistaa geeniterapian ja muut bioteknologian sovellukset. Science-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa kuvataan lähestymistapa, jolla luodaan tehokkaasti yhden kopion HAC-kromosomeja ja ohitetaan yleinen este, joka on estänyt alan kehitystä vuosikymmeniä.
Keinotekoiset kromosomit ovat laboratoriossa valmistettuja rakenteita, jotka on suunniteltu jäljittelemään luonnollisten kromosomien eli ihmisten ja muiden organismien soluissa olevien DNA:n nippujen toimintaa. Nämä synteettiset rakenteet voivat toimia välineinä terapeuttisten geenien välittämiseen tai kromosomibiologian tutkimiseen. Aiemmissa yrityksissä luoda HAC-kromosomeja on kuitenkin ollut suuri ongelma: niiden valmistuksessa käytetyt DNA-segmentit liittyvät usein toisiinsa arvaamattomalla tavalla muodostaen pitkiä, sekaisin olevia ketjuja, joissa sekvenssit on järjestetty uudelleen.
Tohtori Ben Blackin johtama Penn Medicine -ryhmä pyrki ratkaisemaan tämän haasteen uudistamalla täysin HAC:n suunnittelua ja toimittamista koskevan lähestymistavan. “Rakentamamme HAC:t ovat erittäin houkuttelevia käytettäväksi bioteknologian sovelluksissa, kuten solujen laajamittaisessa geenitekniikassa”, tohtori Black sanoi tiedotusvälineille antamassaan tiedotteessa. “Lisäbonuksena on, että ne toimivat luonnollisten kromosomien rinnalla ilman, että solun luonnollisia kromosomeja tarvitsee muuttaa.”
Testatakseen ideaansa tutkijat turvautuivat molekyylibiologian luotettuun työkoneeseen: hiivaan. He käyttivät TAR-kloonaustekniikkaa (Transformointiin liittyvä rekombinaatio) kootakseen hiivasoluissa peräti 750 kilobaarin DNA-konstruktion. Tämä on noin 25 kertaa suurempi kuin aiemmissa HAC-tutkimuksissa käytetyt konstruktiot. Konstruktiossa oli DNA:ta sekä ihmis- että bakteerilähteistä sekä sekvenssejä, jotka edistävät sentromeerin muodostumista.
Seuraavana haasteena oli toimittaa tämä raskas hyötykuorma ihmissoluihin. Ryhmä onnistui tässä yhdistämällä muunnetut hiivasolut ihmisen solulinjaan, mikä prosessi oli optimoitu aiemmissa tutkimuksissa. Huomionarvoista oli, että tämä fuusio osoittautui paljon tehokkaammaksi kuin perinteinen menetelmä, jossa alastonta DNA:ta siirretään suoraan soluihin.
Tulokset olivat hämmästyttäviä. Muokatut HAC-solut muodostuivat onnistuneesti ja vieläpä paljon tehokkaammin kuin tavanomaisilla menetelmillä. Lisäksi nämä suunnitellut kromosomit pystyivät replikoitumaan ja erottumaan asianmukaisesti solunjakautumisen aikana, mikä on keskeinen edellytys niiden pitkäaikaiselle vakaudelle ja toimivuudelle.
“Sen sijaan, että olisimme yrittäneet estää multimerisaatiota, kiersimme ongelman yksinkertaisesti kasvattamalla syötetyn DNA-konstruktion kokoa niin, että sillä oli luonnollisesti taipumus pysyä ennustettavassa yhden kopion muodossa”, selittää tohtori Black.
Tutkijat eivät kuitenkaan lopettaneet tähän. He keksivät myös nokkelan tavan visualisoida HAC:t niiden natiivissa, pakkautumattomassa tilassa. Soluja varovasti lysoimalla ja käyttämällä erityistä sentrifugointitekniikkaa he pystyivät eristämään HAC:t muusta solun DNA:sta. Näin he pystyivät varmistamaan, että HAC:t säilyttivät yhden kopion asemansa ja ympyränmuotoisen topologiansa ilman ei-toivottuja uudelleenjärjestelyjä tai lisäyksiä.
Tämän läpimurron vaikutukset ovat kauaskantoiset. HAC:t voivat toimia turvallisempina ja tehokkaampina geeniterapia-alustoina kuin nykyiset viruspohjaiset siirtojärjestelmät, jotka voivat laukaista immuunivasteet ja joihin liittyy riski haitallisesta viruksen DNA:n siirtymisestä isännän genomiin. Keinotekoisten kromosomien etuna on myös se, että ne voivat kuljettaa paljon suurempia geneettisiä hyötykuormia, mikä voi mahdollistaa kokonaisten geeniverkostojen tai monimutkaisten proteiinikoneistojen ilmentymisen.
Lääketieteellisten sovellusten lisäksi tutkijat uskovat, että heidän lähestymistapansa voisi olla arvokas myös maatalouden bioteknologiassa, esimerkiksi tuholaisten vastustuskykyisten tai satoisten viljelykasvien kehittämisessä.
Vaikka näiden keinotekoisten kromosomien hiomiseksi ja terapeuttiseen käyttöön sopivien toimitusmenetelmien kehittämiseksi on vielä tehtävää, tämä tutkimus on merkittävä harppaus eteenpäin kyvyssämme kehittää suunnittelijagenomeja. Tarjoamalla tehokkaamman ja kontrolloidumman tavan rakentaa HAC-kromosomeja tutkijat ovat avanneet uusia jännittäviä mahdollisuuksia synteettisen biologian edistämiseksi ja geneettisen manipulaation työkalupakin laajentamiseksi.
Kun jatkamme geenitekniikan mahdollisuuksien rajojen pidentämistä, vakaiden, yhden kopion ihmisen keinotekoisten kromosomien kehittäminen on tärkeä virstanpylväs. Tämä läpimurto tuo meidät lähemmäksi geeniterapian täyden potentiaalin hyödyntämistä ja tarjoaa myös uuden tehokkaan alustan kromosomien rakenteen ja toiminnan perustutkimukselle. Tulevaisuudessa design-kromosomeista voi tulla vakio-osuus biotekniikan arsenaalista, jonka avulla tutkijat voivat ratkaista monenlaisia lääketieteellisiä ja maataloudellisia haasteita.
