Με τα περίεργα μάτια του, το γούνινο ρύγχος του και το πλούσιο πέλμα του, το ποντίκι -με το παρατσούκλι Xiao Zhu ή Little Bamboo- σκαρφαλώνει ευκίνητα σε ένα κοτσάνι μπαμπού, κάνοντας μια όμορφη πόζα για την κάμερα. Αλλά αυτό το ποντίκι δεν υπάρχει στη φύση.
Κατασκευασμένο σε εργαστήριο στο Πεκίνο, ο Xiao Zhu ωθεί τα όρια του δυνατού για τη γενετική μηχανική και τη συνθετική βιολογία. Αντί να φιλοξενεί τα συνηθισμένα 20 ζεύγη χρωμοσωμάτων, το ποντίκι και οι αδελφές κοόρτες του έχουν μόνο 19 ζεύγη. Δύο κομμάτια διαφορετικών χρωμοσωμάτων συγχωνεύτηκαν τεχνητά μεταξύ τους σε ένα τολμηρό πείραμα που ρώτησε: αντί να τροποποιούμε μεμονωμένα γράμματα DNA ή πολλαπλά γονίδια, μπορούμε να επαναφέρουμε ένα υπάρχον γονιδιωματικό βιβλίο παιχνιδιών χονδρικής, ανακατεύοντας μαζικά μπλοκ γενετικού υλικού ταυτόχρονα;
Είναι μια ιδέα του φεγγαριού. Εάν το γονιδίωμα είναι ένα βιβλίο, η γονιδιακή επεξεργασία είναι σαν την επεξεργασία αντιγράφων — αλλάζοντας ένα τυπογραφικό λάθος εδώ και εκεί ή διορθώνοντας πολλά γραμματικά λάθη με προσεκτικά τοποθετημένες τροποποιήσεις.
Η μηχανική σε επίπεδο χρωμοσωμάτων είναι ένα εντελώς διαφορετικό θηρίο: είναι σαν να αναδιατάσσεις πολλές παραγράφους ή να μετατοπίζεις ολόκληρες ενότητες ενός άρθρου και ταυτόχρονα να ελπίζεις ότι οι αλλαγές προσθέτουν δυνατότητες που μπορούν να μεταδοθούν στην επόμενη γενιά.
Ο επαναπρογραμματισμός της ζωής δεν είναι εύκολος. Η σύνθεση του DNA του Xiao Zhu είναι κατασκευασμένη από γενετικά γράμματα που έχουν ήδη βελτιστοποιηθεί από αιώνες εξελικτικής πίεσης. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι το να ασχολούμαστε με ένα καθιερωμένο γονιδιωματικό βιβλίο οδηγεί συχνά σε μια ζωή που δεν είναι βιώσιμη. Μέχρι στιγμής, μόνο ζυμομύκητες έχουν επιβιώσει από την ανανέωση των χρωμοσωμάτων τους.
Η νέα μελέτη, δημοσιευτηκε σε Επιστήμη, κατέστησε δυνατή την τεχνολογία για ποντίκια. Η ομάδα συνένωσε τεχνητά κομμάτια από χρωμοσώματα ποντικών. Ένα συντηγμένο ζεύγος που δημιουργήθηκε από τα χρωμοσώματα τέσσερα και πέντε ήταν σε θέση να υποστηρίξει έμβρυα που εξελίχθηκαν σε υγιή -αν και κάπως περίεργα- ποντίκια. Είναι αξιοσημείωτο ότι ακόμη και με αυτήν την τεκτονική στροφή προς την κανονική τους γενετική, τα ποντίκια θα μπορούσαν να αναπαραχθούν και να μεταδώσουν τις γενετικές ιδιορρυθμίες τους σε μια δεύτερη γενιά απογόνων.
«Για πρώτη φορά στον κόσμο, πετύχαμε πλήρη χρωμοσωμική αναδιάταξη στα θηλαστικά, κάνοντας μια νέα ανακάλυψη στη συνθετική βιολογία». είπε Ο συγγραφέας της μελέτης Δρ. Wei Li στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών.
Κατά κάποιο τρόπο, η τεχνική μιμείται την εξέλιξη με μεγάλη ταχύτητα. Με βάση τα υπάρχοντα δεδομένα για τα ποσοστά μετάλλαξης, ο τύπος γενετικής ανταλλαγής που εισάγεται εδώ θα χρειαζόταν γενικά εκατομμύρια χρόνια για να επιτευχθεί φυσικά.
Η μελέτη δεν είναι τέλεια. Μερικά γονίδια στα τροποποιημένα ποντίκια ήταν ασυνήθιστα συντονισμένα, μοιάζοντας με ένα πρότυπο που συνήθως παρατηρείται στη σχιζοφρένεια και τον αυτισμό. Και παρόλο που τα ποντίκια μεγάλωσαν μέχρι την ενηλικίωση και μπορούσαν να αναπαράγουν υγιή κουτάβια, το ποσοστό γεννήσεων ήταν πολύ χαμηλότερο από αυτό των μη μηχανικών συνομηλίκων τους.
Ακόμα κι έτσι, η μελέτη είναι μια περιοδεία, είπε ο εξελικτικός βιολόγος Δρ Χάρμιτ Μάλικ στο Κέντρο Καρκίνου Φρεντ Χάτσινσον στο Σιάτλ, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Τώρα έχουμε αυτή την «όμορφη εργαλειοθήκη» για να αντιμετωπίσουμε εκκρεμή ζητήματα σχετικά με τις γονιδιωματικές αλλαγές σε μεγαλύτερη κλίμακα, ρίχνοντας δυνητικά φως στις χρωμοσωμικές ασθένειες.
Περιμένετε, τι είναι πάλι τα χρωμοσώματα;
Η εργασία αξιοποιεί το μακροχρόνιο γενετικό βιβλίο της εξέλιξης για την κατασκευή νέων ειδών.
Ας κάνουμε backup. Τα γονίδιά μας κωδικοποιούνται σε αλυσίδες διπλής έλικας DNA, οι οποίες μοιάζουν με κορδέλες που επιπλέουν μέσα στο κύτταρο. Δεν είναι αποδοτικό στο χώρο. Η λύση της φύσης είναι να τυλίξετε κάθε αλυσίδα γύρω από ένα καρούλι πρωτεΐνης, σαν φέτες προσούτο που στροβιλίζονται πάνω από ένα ξυλάκι μοτσαρέλας. Πρόσθετες ανατροπές συσκευάζουν αυτές τις δομές σε μικροσκοπικά κομμάτια - απεικονίστε χάντρες σε ένα κορδόνι - τα οποία στη συνέχεια τυλίγονται σε χρωμοσώματα. Στο μικροσκόπιο, μοιάζουν κυρίως με το γράμμα Χ.
Κάθε είδος φέρει έναν καθορισμένο αριθμό χρωμοσωμάτων. Τα ανθρώπινα κύτταρα -εκτός από το σπέρμα και τα ωάρια- φιλοξενούν όλα 46 μεμονωμένα χρωμοσώματα διατεταγμένα σε 23 ζεύγη, που κληρονομήθηκαν από κάθε γονέα. Τα εργαστηριακά ποντίκια, αντίθετα, έχουν μόνο 20 ζεύγη. Το πλήρες σύνολο των χρωμοσωμάτων ονομάζεται καρυότυπος, που προέρχεται από την ελληνική λέξη «πυρήνας» ή «σπόρος».
Η ανάμειξη και το ταίριασμα των χρωμοσωμάτων ήταν από καιρό μέρος της εξέλιξης. Σύμφωνα με τις τρέχουσες εκτιμήσεις, ένα τρωκτικό γενικά συσσωρεύει περίπου 3.5 αναδιατάξεις χρωμοσωμάτων κάθε εκατομμύριο χρόνια. ορισμένα τμήματα διαγράφονται, άλλα αντιγράφονται ή ανακατεύονται. Για τα πρωτεύοντα, ο ρυθμός αλλαγής είναι περίπου το μισό από αυτό. Η μετατόπιση σε κομμάτια χρωμοσωμάτων μπορεί να φαίνεται δραστική για οποιοδήποτε ζώο, αλλά όταν είναι βιώσιμες, οι αλλαγές ανοίγουν το δρόμο για την εξέλιξη εντελώς διαφορετικών ειδών. Το χρωμόσωμα δύο μας, για παράδειγμα, συγχωνεύτηκε από δύο ξεχωριστά, ωστόσο η προσαρμογή δεν είναι παρούσα στον γορίλα, τον στενό εξελικτικό μας ξάδερφο.
Η νέα μελέτη είχε στόχο να κάνει κάτι καλύτερο από την εξέλιξη: χρησιμοποιώντας τη γενετική μηχανική, ρώτησε, μπορούμε να συμπυκνώσουμε εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης σε λίγους μόνο μήνες; Δεν είναι μόνο για επιστημονική περιέργεια: οι χρωμοσωμικές ασθένειες βρίσκονται κάτω από μερικά από τα πιο δύσκολα ιατρικά μας αινίγματα, όπως η παιδική λευχαιμία. Οι επιστήμονες είχαν προηγουμένως ενεργοποιήσει την αναδιάταξη των χρωμοσωμάτων χρησιμοποιώντας ακτινοβολία, αλλά τα αποτελέσματα δεν ήταν εύκολα ελεγχόμενα, καθιστώντας αδύνατη τη γέννηση νέων απογόνων στα ζώα. Εδώ, οι συνθετικοί βιολόγοι ακολούθησαν μια πιο στοχευμένη προσέγγιση.
Το πρώτο βήμα είναι να καταλάβουμε γιατί τα χρωμοσώματα είναι ανθεκτικά σε μεγάλες αλλαγές στην οργάνωσή τους. Όπως αποδεικνύεται, ένας σημαντικός λόξυγκας στην εναλλαγή-ή τη σύντηξη-τμημάτων χρωμοσωμάτων είναι μια βιολογική ιδιορρυθμία που ονομάζεται αποτύπωση.
Λαμβάνουμε χρωμοσώματα και από τους δύο γονείς, με κάθε σύνολο να περιέχει παρόμοια γονίδια. Ωστόσο, μόνο ένα σετ είναι ενεργοποιημένο. Το πώς λειτουργεί η διαδικασία της αποτύπωσης παραμένει μυστηριώδες, αλλά γνωρίζουμε ότι περιορίζει την ικανότητα των εμβρυϊκών κυττάρων να εξελιχθούν σε πολλαπλούς τύπους ώριμων κυττάρων και περιορίζει τις δυνατότητές τους για γενετική μηχανική.
Πίσω στο 2018, η ίδια ομάδα διαπίστωσε ότι η διαγραφή τριών γονιδίων μπορεί να παρακάμψει το βιοχημικό πρόγραμμα αποτύπωσης στα βλαστοκύτταρα. Εδώ, χρησιμοποίησαν αυτά τα «ξεκλείδωτα» βλαστοκύτταρα για να συνδέσουν γενετικά δύο ζεύγη χρωμοσωμάτων.
Αρχικά έβαλαν τα μάτια τους στα χρωμοσώματα ένα και δύο, τα δύο μεγαλύτερα σε ένα γονιδίωμα ποντικού. Χρησιμοποιώντας το CRISPR, η ομάδα χώρισε τα χρωμοσώματα, επιτρέποντάς τους να ανταλλάξουν γενετικά κομμάτια και να επαναδιαμορφωθούν σε σταθερά γενετικά κατασκευάσματα. Τα κύτταρα που περιείχαν τη χρωμοσωμική αλλαγή στη συνέχεια εγχύθηκαν σε ωοκύτταρα - αυγά. Τα προκύπτοντα έμβρυα μεταμοσχεύθηκαν σε υποκατάστατα θηλυκά ποντίκια για να ωριμάσουν περαιτέρω.
Η ανταλλαγή ήταν θανατηφόρα. Το τεχνητό χρωμόσωμα, με το χρωμόσωμα δύο ακολουθούμενο από το χρωμόσωμα ένα ή 2+1, σκότωσε το αναπτυσσόμενο έμβρυο μόλις 12 ημέρες μετά τη σύλληψη. Τα ίδια δύο χρωμοσώματα συγχωνευμένα προς την αντίθετη κατεύθυνση, 1+2, είχαν καλύτερη τύχη, δίνοντας ζωντανά κουτάβια με μόνο 19 ζεύγη χρωμοσωμάτων. Τα μωρά ποντίκια ήταν ασυνήθιστα μεγάλα για το μέγεθός τους και σε αρκετές δοκιμές φάνηκαν πιο ανήσυχα από τους κανονικούς συνομηλίκους τους.
Ένα δεύτερο πείραμα σύντηξης χρωμοσωμάτων πήγε καλύτερα. Τα χρωμοσώματα 4 και 5 είναι πολύ μικρότερα σε μέγεθος και το προκύπτον έμβρυο - που ονομάζεται 4 + 5 - αναπτύχθηκε σε υγιή νεογνά ποντικών. Αν και δεν είχαν επίσης ένα ζεύγος χρωμοσωμάτων, έμοιαζαν εκπληκτικά φυσιολογικά: δεν ήταν τόσο ανήσυχοι, είχαν μέσο σωματικό βάρος και όταν ωρίμασαν γέννησαν κουτάβια που δεν είχαν επίσης ένα ζευγάρι χρωμοσωμάτων.
Με άλλα λόγια, η ομάδα κατασκεύασε έναν νέο καρυότυπο σε ένα είδος θηλαστικού που θα μπορούσε να μεταδοθεί σε γενεές.
Ένας ολόκληρος νέος κόσμος συνθετικής βιολογίας;
Για τον Malik, όλα είναι θέμα κλίμακας. Ξεπερνώντας το πρόβλημα της αποτύπωσης, «ο κόσμος είναι το στρείδι τους όσο αφορά τη γενετική μηχανική», είπε προς την Ο επιστήμονας.
Ο επόμενος στόχος της ομάδας είναι να χρησιμοποιήσει την τεχνολογία για την επίλυση δύσκολων χρωμοσωμικών ασθενειών αντί να σχεδιάσει μεταλλαγμένα είδη. Η τεχνητή εξέλιξη είναι σχεδόν προ των πυλών. Αλλά η μελέτη δείχνει την εκπληκτική προσαρμοστικότητα των γονιδιωμάτων των θηλαστικών.
«Ένας από τους στόχους στη συνθετική βιολογία είναι να δημιουργηθεί πολύπλοκη πολυκύτταρα ζωή με σχεδιασμένες αλληλουχίες DNA», έγραψαν οι συγγραφείς. «Η δυνατότητα χειρισμού του DNA σε μεγάλη κλίμακα, συμπεριλαμβανομένου του επιπέδου των χρωμοσωμάτων, είναι ένα σημαντικό βήμα προς αυτόν τον στόχο».
Πίστωση εικόνας: Κινεζική Ακαδημία Επιστημών
