با چشمان کنجکاو، پوزه پشمالو و پوست سرسبزش، موش – با نام مستعار شیائو ژو، یا بامبوی کوچولو – بر روی ساقه بامبو نشسته و ژست زیبایی را برای دوربین به نمایش می گذارد. اما این موش در طبیعت وجود ندارد.
Xiao Zhu که در آزمایشگاهی در پکن ساخته شده است، مرزهای ممکن برای مهندسی ژنتیک و زیست شناسی مصنوعی را تغییر می دهد. موش و همگروه های خواهر و برادرش به جای داشتن 20 جفت کروموزوم معمولی فقط 19 جفت دارند. دو تکه از کروموزوم‌های مختلف به‌طور مصنوعی در یک آزمایش جسورانه با هم ترکیب شدند که پرسیده شد: آیا به‌جای تغییر حروف DNA یا چندین ژن، آیا می‌توانیم یک کتاب بازی ژنومی موجود را به‌طور عمده بازنویسی کنیم و همزمان بلوک‌های عظیمی از مواد ژنتیکی را به هم بزنیم؟
این یک ایده مهتابی است. اگر ژنوم یک کتاب است، ویرایش ژن مانند ویرایش کپی است – تغییر یک اشتباه تایپی اینجا و آنجا، یا رفع چندین خطای گرامری با ترفندهایی که به دقت انجام شده است.
مهندسی در سطح کروموزوم یک جانور کاملاً متفاوت است: مانند مرتب کردن مجدد چندین پاراگراف یا جابجایی بخش‌های کامل یک مقاله و به طور همزمان امید به ایجاد تغییرات قابلیت‌هایی که می‌توانند به نسل بعدی منتقل شوند.
برنامه ریزی مجدد زندگی آسان نیست. ترکیب DNA شیائو ژو از حروف ژنتیکی ساخته شده است که قبلاً توسط چندین دوره فشار تکاملی بهینه شده اند. جای تعجب نیست که سرهم کردن با یک کتاب ژنومی تثبیت شده اغلب منجر به زندگی غیرقابل دوام می شود. تا کنون، تنها مخمرها از بازسازی مجدد کروموزوم های خود جان سالم به در برده اند.
La مطالعه جدید، منتشر شده در علم، این فناوری را برای موش ها ممکن کرد. این تیم به طور مصنوعی تکه هایی از کروموزوم های موش را با هم ترکیب کردند. یک جفت ذوب شده که از کروموزوم‌های چهار و پنج ساخته شده بود، قادر به حمایت از جنین‌هایی بود که به موش‌های سالم - اگر تا حدودی رفتار عجیبی داشتند - تبدیل شدند. قابل توجه است، حتی با این تغییر تکتونیکی به ژنتیک طبیعی خود، موش‌ها می‌توانند تولید مثل کرده و ویژگی‌های ژنتیکی مهندسی شده خود را به نسل دوم فرزندان منتقل کنند.
"برای اولین بار در جهان، ما به بازآرایی کامل کروموزومی در پستانداران دست یافتیم و پیشرفت جدیدی در زیست شناسی مصنوعی ایجاد کردیم." گفت: نویسنده مطالعه دکتر وی لی در آکادمی علوم چین.
به نوعی، این تکنیک تکامل را با سرعتی سرسام آور تقلید می کند. بر اساس داده‌های موجود در مورد میزان جهش، نوع مبادله ژنتیکی که در اینجا معرفی می‌شود، معمولاً میلیون‌ها سال طول می‌کشد تا به طور طبیعی به دست آید.
مطالعه کامل نیست برخی از ژن‌ها در موش‌های مهندسی‌شده به‌طور غیرطبیعی تنظیم شده بودند، که شبیه الگویی است که معمولاً در اسکیزوفرنی و اوتیسم دیده می‌شود. و اگرچه موش‌ها تا بزرگسالی رشد کردند و می‌توانستند توله‌های سالم تولید کنند، اما نرخ تولد بسیار کمتر از همسالان غیرمهندسی آنها بود.
با این حال، مطالعه یک تور دو نیرو است، گفت: زیست شناس تکاملی دکتر هارمیت مالیک در مرکز سرطان فرد هاچینسون در سیاتل، که در این مطالعه شرکت نداشت. ما اکنون این "مجموعه ابزار زیبا" را برای مقابله با سوالات برجسته در مورد تغییرات ژنومی در مقیاس بزرگتر داریم که به طور بالقوه بیماری های کروموزومی را روشن می کند.
صبر کنید، کروموزوم ها دوباره چیست؟
این کار به کتاب بازی ژنتیکی دیرینه تکامل برای ساخت گونه‌های جدید کمک می‌کند.
بیایید پشتیبان گیری کنیم. ژن‌های ما در زنجیره‌های دو مارپیچ DNA رمزگذاری شده‌اند که شبیه نوارهایی هستند که در داخل سلول شناور هستند. از نظر فضا کارآمد نیست. راه حل طبیعت این است که هر زنجیره را به دور یک قرقره پروتئین بپیچید، مانند برش هایی از پروشوتو که روی یک چوب موزارلا می چرخد. پیچ و تاب های اضافی این ساختارها را در قطعات کوچکی بسته بندی می کند - مهره هایی را روی یک رشته تصویر کنید - که سپس در کروموزوم ها پیچیده می شوند. زیر میکروسکوپ بیشتر شبیه حرف X هستند.
هر گونه دارای تعداد مشخصی کروموزوم است. سلول های انسانی - به جز اسپرم و تخمک - همه دارای 46 کروموزوم مجزا هستند که در 23 جفت مرتب شده اند که از هر والدین به ارث رسیده است. در مقابل، موش های آزمایشگاهی تنها 20 جفت دارند. مجموعه کامل کروموزوم ها کاریوتیپ نامیده می شود که از کلمه یونانی "هسته" یا "دانه" گرفته شده است.
اختلاط و تطبیق کروموزوم ها از دیرباز بخشی از تکامل بوده است. طبق برآوردهای فعلی، یک جونده به طور کلی تقریباً 3.5 بازآرایی کروموزومی را در هر میلیون سال جمع می کند. برخی از بخش ها حذف می شوند، برخی دیگر تکراری یا به هم ریخته می شوند. برای پستانداران، سرعت تغییر حدود نصف آن است. جابجایی در اطراف تکه های کروموزوم ممکن است برای هر حیوانی شدید به نظر برسد، اما زمانی که این تغییرات امکان پذیر باشد، راه را برای تکامل گونه های کاملاً متفاوت هموار می کند. برای مثال، کروموزوم دو ما از دو کروموزوم مجزا ادغام شده است، اما این تغییر در گوریل، پسرعموی تکاملی نزدیک ما وجود ندارد.
هدف مطالعه جدید این بود که یکی بهتر از تکامل انجام دهد: با استفاده از مهندسی ژنتیک، می‌توانیم میلیون‌ها سال تکامل را فقط به چند ماه خلاصه کنیم؟ این فقط برای کنجکاوی علمی نیست: بیماری های کروموزومی زیربنای برخی از سخت ترین معماهای پزشکی ما مانند سرطان خون دوران کودکی هستند. دانشمندان قبلاً با استفاده از تشعشعات، بازآرایی کروموزومی را آغاز کرده بودند، اما نتایج به راحتی قابل کنترل نبود و این امر باعث می‌شود که حیوانات بتوانند فرزندان جدیدی به دنیا بیاورند. در اینجا، زیست شناسان مصنوعی رویکرد هدفمندتری را در پیش گرفتند.
اولین قدم این است که بفهمیم چرا کروموزوم ها در برابر تغییرات بزرگ در سازمان خود مقاوم هستند. همانطور که به نظر می رسد، یک سکسکه بزرگ در مبادله – یا همجوشی – تکه های کروموزوم یک ابهام بیولوژیکی است که به آن چاپ می گویند.
ما از هر دو والد کروموزوم دریافت می کنیم که هر مجموعه حاوی ژن های مشابه است. با این حال، تنها یک مجموعه روشن است. نحوه کارکرد فرآیند چاپ اسرارآمیز باقی مانده است، اما می دانیم که توانایی سلول های جنینی برای تبدیل شدن به انواع مختلف سلول های بالغ را کاهش می دهد و پتانسیل آنها را برای مهندسی ژنتیک محدود می کند.
بازگشت در 2018، همان تیم دریافتند که حذف سه ژن می‌تواند برنامه بیوشیمیایی نقش‌آفرینی در سلول‌های بنیادی را نادیده بگیرد. در اینجا، آنها از این سلول‌های بنیادی «بازشده» برای وصله ژنتیکی دو جفت کروموزوم استفاده کردند.
آنها ابتدا چشم خود را به کروموزوم های یک و دو، که بزرگترین دو در ژنوم موش هستند، انداختند. با استفاده از CRISPR، تیم کروموزوم ها را از هم جدا کردند و به آنها اجازه داد تکه های ژنتیکی را عوض کنند و دوباره به ساختارهای ژنتیکی پایدار تبدیل شوند. سپس سلول‌هایی که دارای تغییر کروموزوم بودند به سلول‌های تخمک تزریق شدند. جنین های به دست آمده برای بالغ شدن بیشتر به موش های ماده جانشین پیوند زده شدند.
مبادله مرگبار بود. کروموزوم مصنوعی، با کروموزوم دو و به دنبال آن کروموزوم یک یا 2+1، جنین در حال رشد را تنها 12 روز پس از لقاح از بین برد. همان دو کروموزوم که در جهت مخالف همجوش شدند، 1+2، شانس بهتری داشتند و نوزادانی زنده با تنها 19 جفت کروموزوم به وجود آوردند. بچه موش ها نسبت به سایزشان به طور غیرعادی بزرگ بودند و در چندین آزمایش نسبت به همسالان عادی خود مضطرب تر به نظر می رسیدند.
آزمایش دوم همجوشی کروموزوم بهتر انجام شد. کروموزوم‌های 4 و 5 از نظر اندازه بسیار کوچک‌تر هستند و جنین حاصل که 4+5 نامیده می‌شود، به صورت توله‌های موش سالم رشد می‌کند. اگرچه آنها فاقد یک جفت کروموزوم بودند، اما به طور شگفت انگیزی طبیعی به نظر می رسیدند: آن ها مضطرب نبودند، وزن بدن متوسطی داشتند و وقتی بالغ شدند، نوزادانی به دنیا آوردند که فاقد یک جفت کروموزوم بودند.
به عبارت دیگر، این تیم کاریوتایپ جدیدی را در یک گونه پستاندار مهندسی کرد که می‌توان آن را از طریق نسل‌ها منتقل کرد.
یک دنیای جدید زیست شناسی مصنوعی؟
برای مالک، همه چیز در مورد مقیاس است. او با غلبه بر مشکل چاپ، "جهان صدف آنهاست تا آنجا که مهندسی ژنتیک است." گفت: به دانشمند.
هدف بعدی این تیم استفاده از این فناوری برای حل بیماری های کروموزومی دشوار به جای طراحی گونه های جهش یافته است. تکامل مصنوعی به سختی در اطراف است. اما این مطالعه سازگاری شگفت انگیز ژنوم پستانداران را نشان می دهد.
نویسندگان نوشتند: «یکی از اهداف زیست‌شناسی مصنوعی، تولید حیات چند سلولی پیچیده با توالی‌های DNA طراحی‌شده است». "توانایی دستکاری DNA در مقیاس های بزرگ، از جمله در سطح کروموزوم، گام مهمی به سوی این هدف است."
اعتبار تصویر: آکادمی علوم چین
