بعيون فضوليّة ، وخطم فروي ، وجلد خصب ، يجلس الفأر - الملقب بـ Xiao Zhu ، أو Little Bamboo - برشاقة على ساق من الخيزران ، مما يجعل الكاميرا في وضع جميل. لكن هذا الفأر غير موجود في الطبيعة.
صُنع Xiao Zhu في مختبر في بكين ، وهو يتخطى حدود ما هو ممكن للهندسة الوراثية والبيولوجيا التركيبية. فبدلاً من إيواء 20 زوجًا من الكروموسومات المعتادة ، يمتلك الفأر ومجموعات أشقائه 19 زوجًا فقط. تم دمج قطعتين من الكروموسومات المختلفة معًا بشكل مصطنع في تجربة جريئة تساءلت: بدلاً من تعديل أحرف الحمض النووي الفردية أو الجينات المتعددة ، هل يمكننا إعادة ضبط قواعد اللعبة الجينية الموجودة بالجملة ، مع خلط كتل ضخمة من المواد الجينية في نفس الوقت؟
إنها فكرة البداية. إذا كان الجينوم كتابًا ، فإن تحرير الجينات يشبه تحرير النسخ - تغيير خطأ مطبعي هنا وهناك ، أو إصلاح أخطاء نحوية متعددة بتعديلات موضوعة بعناية.
إن الهندسة على مستوى الكروموسوم هي وحش مختلف تمامًا: فهي تشبه إعادة ترتيب فقرات متعددة أو نقل أقسام كاملة من مقال ، وتأمل في نفس الوقت أن تضيف التغييرات إمكانات يمكن نقلها إلى الجيل التالي.
إعادة برمجة الحياة ليست سهلة. تم بناء تركيبة DNA Xiao Zhu من الحروف الجينية التي تم تحسينها بالفعل بواسطة دهور من الضغط التطوري. ليس من المستغرب أن يؤدي التلاعب بكتاب الجينوم الراسخ في كثير من الأحيان إلى حياة غير قابلة للحياة. حتى الآن ، نجت الخميرة فقط من إعادة تنظيم كروموسوماتها.
• دراسة جديدة، نشرت في علوم، جعلت التكنولوجيا ممكنة للفئران. قام الفريق بدمج أجزاء من كروموسومات الفئران بشكل مصطنع. كان زوج واحد منصهر مصنوع من الكروموسومات الأربعة والخامسة قادرًا على دعم الأجنة التي تطورت إلى فئران سليمة - وإن كان سلوكها غريبًا نوعًا ما. من اللافت للنظر ، أنه حتى مع هذا التحول التكتوني إلى جيناتها الطبيعية ، يمكن للفئران أن تتكاثر وتمرر مراوغاتها الجينية المهندسة إلى الجيل الثاني من النسل.
"لأول مرة في العالم ، حققنا إعادة ترتيب كاملة للكروموسومات في الثدييات ، وحققنا تقدمًا جديدًا في علم الأحياء التركيبي ،" محمد مؤلف الدراسة الدكتور وي لي في الأكاديمية الصينية للعلوم.
بطريقة ما ، تحاكي التقنية التطور بسرعة كسر الرقبة. استنادًا إلى البيانات الموجودة حول معدلات الطفرات ، فإن نوع التبادل الجيني المقدم هنا قد يستغرق عمومًا ملايين السنين لتحقيقه بشكل طبيعي.
الدراسة ليست مثالية. تم ضبط بعض الجينات في الفئران المهندسة بشكل غير طبيعي ، بحيث تشبه نمطًا يُرى عادةً في مرض انفصام الشخصية والتوحد. وعلى الرغم من أن الفئران نمت إلى مرحلة البلوغ ويمكنها أن تولد صغارًا يتمتعون بصحة جيدة ، إلا أن معدل المواليد كان أقل بكثير من نظرائهم غير المهندسين.
ومع ذلك ، فإن الدراسة عبارة عن تجربة رائعة ، محمد عالم الأحياء التطوري الدكتور هارميت مالك في مركز فريد هاتشينسون للسرطان في سياتل ، والذي لم يشارك في الدراسة. لدينا الآن "مجموعة الأدوات الجميلة" هذه لمعالجة الأسئلة المعلقة المتعلقة بالتغيرات الجينية على نطاق أوسع ، مما قد يلقي الضوء على الأمراض الصبغية.
انتظر ، ما هي الكروموسومات مرة أخرى؟
يستفيد العمل من كتاب القواعد الجيني للتطور طويل الأمد لبناء أنواع جديدة.
دعنا نعود. يتم ترميز جيناتنا في سلاسل الحلزون المزدوج للحمض النووي ، والتي تشبه الأشرطة التي تطفو داخل الخلية. إنه ليس موفرًا للمساحة. الحل الطبيعي هو لف كل سلسلة حول بكرة بروتين ، مثل شرائح بروسكيوتو ملفوفة فوق عصا جبن الموزاريلا. تحزم التقلبات الإضافية هذه الهياكل في كرات صغيرة - حبات صور على خيط - ثم تلتف في صبغيات. تحت المجهر ، تبدو في الغالب مثل الحرف X.
كل نوع يحمل عددًا محددًا من الكروموسومات. تحتوي الخلايا البشرية - باستثناء الحيوانات المنوية والبويضات - على 46 كروموسومًا فرديًا مرتبة في 23 زوجًا ، موروثة من كل والد. في المقابل ، تحتوي فئران المختبر على 20 زوجًا فقط. المجموعة الكاملة من الكروموسومات تسمى النمط النووي ، مشتق من الكلمة اليونانية "النواة" أو "البذور".
لطالما كان خلط الكروموسومات ومطابقتها جزءًا من التطور. وفقًا للتقديرات الحالية ، يراكم القارض بشكل عام ما يقرب من 3.5 إعادة ترتيب كروموسوم كل مليون سنة. يتم حذف بعض المقاطع ، بينما يتم تكرار أجزاء أخرى أو خلطها عشوائيًا. بالنسبة إلى الرئيسيات ، يبلغ معدل التغيير حوالي نصف ذلك. قد يبدو التحول حول أجزاء من الكروموسومات جذريًا لأي حيوان ، ولكن عندما تكون قابلة للحياة ، فإن التغييرات تمهد الطريق لتطوير أنواع مختلفة تمامًا. كروموسومنا الثاني ، على سبيل المثال ، تم دمجه من صنفين منفصلين ، لكن القرص غير موجود في الغوريلا ، ابن عمنا التطوري القريب.
هدفت الدراسة الجديدة إلى القيام بواحد أفضل من التطور: باستخدام الهندسة الوراثية ، تساءلت ، هل يمكننا تكثيف ملايين السنين من التطور إلى بضعة أشهر فقط؟ لا يتعلق الأمر بالفضول العلمي فقط: تكمن أمراض الكروموسومات في بعض أصعب الألغاز الطبية لدينا ، مثل ابيضاض الدم في مرحلة الطفولة. أطلق العلماء سابقًا إعادة ترتيب الكروموسوم باستخدام الإشعاع ، لكن لم يكن من السهل التحكم في النتائج ، مما جعل من المستحيل على الحيوانات أن تلد نسلًا جديدًا. هنا ، اتخذ علماء الأحياء التركيبية نهجًا أكثر استهدافًا.
تتمثل الخطوة الأولى في معرفة سبب مقاومة الكروموسومات للتغييرات الكبيرة في تنظيمها. كما اتضح ، فإن الفواق الكبير في مبادلة - أو دمج - قطع الكروموسوم هو شذوذ بيولوجي يسمى البصمة.
نتلقى الكروموسومات من كلا الوالدين ، مع كل مجموعة تحتوي على جينات متشابهة. ومع ذلك ، يتم تشغيل مجموعة واحدة فقط. تظل كيفية عمل عملية البصمة غامضة ، لكننا نعلم أنها تعيق قدرة الخلايا الجنينية على التطور إلى أنواع متعددة من الخلايا الناضجة وتحد من قدرتها على الهندسة الوراثية.
مرة أخرى في 2018، وجد الفريق نفسه أن حذف ثلاثة جينات يمكن أن يبطل برنامج البصمة البيوكيميائية في الخلايا الجذعية. هنا ، استخدموا هذه الخلايا الجذعية "غير المؤمنة" لترقيع أزواج كروموسوم جينيًا معًا.
وضعوا أعينهم أولاً على الكروموسومات الأول والثاني ، وهما أكبر اثنين في جينوم فأر. باستخدام تقنية كريسبر ، قام الفريق بتقطيع الكروموسومات ، مما سمح لهم بتبديل القطع الجينية وإعادة تشكيلها في بنيات وراثية مستقرة. ثم تم حقن الخلايا التي تحتوي على تغيير الكروموسوم في البويضات - خلايا البويضات. تم زرع الأجنة الناتجة في فئران بديلة لتنضج أكثر.
كانت المقايضة قاتلة. الكروموسوم الاصطناعي ، مع الكروموسوم الثاني متبوعًا بالكروموسوم الأول ، أو 2 + 1 ، قتل الجنين النامي بعد 12 يومًا فقط من الحمل. نفس الكروموسومات المندمجة في الاتجاه المعاكس ، 1 + 2 ، كان لها حظ أفضل ، مما أسفر عن جرو حي مع 19 زوجًا فقط من الكروموسومات. كانت الفئران الصغيرة كبيرة بشكل غير طبيعي بالنسبة لحجمها ، وفي العديد من الاختبارات بدت أكثر قلقا من أقرانها الطبيعيين.
كانت تجربة اندماج الكروموسوم الثانية أفضل حالًا. الكروموسومات 4 و 5 أصغر في الحجم ، والجنين الناتج - الملقب 4 + 5 - تطور إلى فئران صغيرة صحية. على الرغم من افتقارهم أيضًا إلى زوج من الكروموسومات ، إلا أنهم بدوا طبيعيين بشكل مدهش: لم يكونوا قلقين ، وكان لديهم وزن متوسط في الجسم ، وعندما نضجوا ، أنجبوا صغارًا تفتقر أيضًا إلى زوج من الكروموسومات.
بعبارة أخرى ، صمم الفريق نمطًا نوويًا جديدًا في نوع من الثدييات يمكن أن ينتقل عبر الأجيال.
عالم جديد بالكامل في علم الأحياء التركيبية؟
بالنسبة لمالك ، الأمر كله يتعلق بالميزان. من خلال التغلب على مشكلة البصمة ، "العالم هو محارهم بقدر ما يتعلق بالهندسة الوراثية" محمد إلى في عالم.
الهدف التالي للفريق هو استخدام التكنولوجيا لحل الأمراض الصبغية الصعبة بدلاً من تصميم أنواع متحولة. التطور الاصطناعي بالكاد قاب قوسين أو أدنى. لكن الدراسة تُظهر القدرة المدهشة على التكيف مع جينومات الثدييات.
كتب المؤلفون: "أحد أهداف البيولوجيا التركيبية هو إنشاء حياة معقدة متعددة الخلايا باستخدام تسلسلات DNA مصممة". "القدرة على معالجة الحمض النووي على مستويات كبيرة ، بما في ذلك على مستوى الكروموسوم ، هي خطوة مهمة نحو هذا الهدف."
حقوق الصورة: الأكاديمية الصينية للعلوم
