Uteliaisilla silmillään, pörröisellä kuonollaan ja rehevällä nahallaan hiiri – lempinimeltään Xiao Zhu tai Pikku Bambu – istuu ketterästi bambuvarren päällä, ja se osuu kameraan kauniisti. Mutta tätä hiirtä ei ole luonnossa.
Pekingissä sijaitsevassa laboratoriossa valmistettu Xiao Zhu ylittää geenitekniikan ja synteettisen biologian rajoja. Sen sijaan, että hiirellä ja sen sisarusryhmillä olisi tavanomaisia 20 paria kromosomeja, on vain 19 paria. Kaksi eri kromosomien palaa fuusioitiin keinotekoisesti yhteen rohkeassa kokeessa, jossa kysyttiin: voimmeko yksittäisten DNA-kirjainten tai useiden geenien säätämisen sijaan virittää olemassa olevan genomisen pelikirjan tukkumyyntinä, sekoittaen valtavia geneettisen materiaalin lohkoja samaan aikaan?
Se on moonshot idea. Jos genomi on kirja, geenien muokkaaminen on kuin kopiointieditointia – kirjoitusvirheen vaihtamista siellä täällä tai useiden kielioppivirheiden korjaamista huolellisesti tehdyillä muokkauksilla.
Kromosomitason suunnittelu on täysin erilainen peto: se on kuin useiden kappaleiden uudelleenjärjestelyä tai artikkelin kokonaisten osien siirtämistä ja samanaikaisesti toivomista, että muutokset lisäävät ominaisuuksia, jotka voidaan siirtää seuraavalle sukupolvelle.
Elämän uudelleenohjelmointi ei ole helppoa. Xiao Zhun DNA-rakenne on rakennettu geneettisistä kirjaimista, jotka on jo optimoitu eonien evoluution paineen johdosta. Ei ole yllätys, että vakiintuneen genomikirjan parissa puuhailu johtaa usein elämään, joka ei ole elinkelpoinen. Toistaiseksi vain hiiva on selvinnyt kromosomien uudelleenjärjestelystä.
- uusi tutkimus, julkaistu tiede, teki tekniikan mahdolliseksi hiirille. Ryhmä fuusioi keinotekoisesti paloja hiiren kromosomeista. Yksi kromosomeista neljä ja viisi tehty fuusioitu pari pystyi tukemaan alkioita, jotka kehittyivät terveiksi – joskin hieman oudosti käyttäytyviksi – hiiriksi. On huomattavaa, että vaikka tämä tektoninen siirtymä normaaliin genetiikkaansa olisi, hiiret voisivat lisääntyä ja välittää muokatut geneettiset omituisuutensa toiselle sukupolvelle jälkeläisille.
"Ensimmäistä kertaa maailmassa olemme saavuttaneet täydellisen kromosomien uudelleenjärjestelyn nisäkkäissä, mikä tekee uuden läpimurron synteettisessä biologiassa." sanoi tutkimuksen kirjoittaja tohtori Wei Li Kiinan tiedeakatemiasta.
Tietyllä tavalla tekniikka jäljittelee evoluutiota räjähdysmäisellä nopeudella. Olemassa olevien mutaatioiden määrää koskevien tietojen perusteella tässä esitellyn geneettisen vaihdon tyyppi kestää yleensä miljoonia vuosia saavuttaa luonnollisesti.
Opiskelu ei ole täydellinen. Jotkut muokattujen hiirten geenit olivat epänormaalisti viritetty alaspäin, mikä muistutti yleensä skitsofreniassa ja autismissa havaittua mallia. Ja vaikka hiiret kasvoivat täysi-ikäisiksi ja pystyivät kasvattamaan terveitä pentuja, syntyvyys oli paljon alhaisempi kuin niiden ei-suunniteltujen ikätovereiden.
Siitä huolimatta tutkimus on tour de force, sanoi evoluutiobiologi tohtori Harmit Malik Fred Hutchinsonin syöpäkeskuksesta Seattlessa, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. Meillä on nyt tämä "kaunis työkalupakki", jonka avulla voimme käsitellä genomimuutoksia koskevia kysymyksiä laajemmassa mittakaavassa, mikä saattaa valaista kromosomisairauksia.
Odota, mitä kromosomit taas ovat?
Teos hyödyntää evoluution pitkäaikaista geneettistä pelikirjaa uusien lajien rakentamiseksi.
Palataanpa ylös. Geenimme on koodattu DNA:n kaksoiskierreketjuihin, jotka muistuttavat solun sisällä kelluvia nauhoja. Se ei ole tilaa säästävä. Luonnon ratkaisu on kääriä jokainen ketju proteiinikelan ympärille, kuten prosciutto-viipaleet kierrettyinä mozzarellatangolle. Lisäkäänteet pakaavat nämä rakenteet pieniksi kiekkoiksi – kuvahelmiksi narussa – jotka sitten kietoutuvat kromosomeihin. Mikroskoopin alla ne näyttävät enimmäkseen X-kirjaimelta.
Jokaisella lajilla on tietty määrä kromosomeja. Ihmissoluissa - siittiöitä ja munasoluja lukuun ottamatta - kaikissa on 46 yksittäistä kromosomia, jotka on järjestetty 23 pariksi ja jotka ovat peritty kummaltakin vanhemmalta. Lab-hiirillä sitä vastoin on vain 20 paria. Täydellistä kromosomisarjaa kutsutaan karyotyypiksi, joka on johdettu kreikan sanasta "ydin" tai "siemen".
Kromosomien sekoittaminen ja yhteensovittaminen on pitkään ollut osa evoluutiota. Nykyisten arvioiden mukaan jyrsijä kerää yleensä noin 3.5 kromosomin uudelleenjärjestelyä miljoonan vuoden välein; jotkut segmentit poistetaan, toiset monistetaan tai sekoitetaan. Kädellisillä muutosnopeus on noin puolet siitä. Kromosomipalojen vaihtaminen voi tuntua rajulta mille tahansa eläimelle, mutta kun muutokset ovat elinkelpoisia, ne tasoittavat tietä täysin erilaisten lajien kehittymiselle. Esimerkiksi kromosomi kaksi fuusioitui kahdesta erillisestä kromosomista, mutta säätöä ei ole läsnä gorillassa, läheisessä evoluutionaarisessa serkussamme.
Uuden tutkimuksen tavoitteena oli tehdä jotain parempaa kuin evoluutio: geenitekniikan avulla se kysyi, voimmeko tiivistää miljoonien vuosien evoluution vain muutamaan kuukauteen? Se ei ole vain tieteellistä uteliaisuutta: kromosomitaudit ovat joidenkin vaikeimpien lääketieteellisten pulmien taustalla, kuten lasten leukemia. Tutkijat ovat aiemmin käynnistäneet kromosomien uudelleenjärjestelyn säteilyn avulla, mutta tulokset eivät olleet helposti hallittavissa, mikä teki mahdottomaksi eläimille synnyttää uusia jälkeläisiä. Tässä synteettiset biologit omaksuivat kohdennetumman lähestymistavan.
Ensimmäinen askel on selvittää, miksi kromosomit vastustavat suuria muutoksia organisaatiossaan. Kuten käy ilmi, suuri ongelma kromosomipalojen vaihtamisessa – tai yhdistämisessä – on biologinen omituisuus, jota kutsutaan imprintiksi.
Saamme kromosomit molemmilta vanhemmilta, ja jokainen sarja sisältää samanlaisia geenejä. Kuitenkin vain yksi sarja on päällä. Kuinka painatusprosessi toimii, on edelleen salaperäinen, mutta tiedämme, että se estää alkiosolujen kyvyn kehittyä useiksi kypsiksi soluiksi ja rajoittaa niiden potentiaalia geenitekniikalle.
Takaisin 2018, Sama ryhmä havaitsi, että kolmen geenin poistaminen voi ohittaa biokemiallisen ohjelman kantasoluissa. Täällä he käyttivät näitä "lukitsemattomia" kantasoluja yhdistämään geneettisesti kaksi kromosomiparia.
He kiinnittivät silmänsä ensin kromosomeihin yksi ja kaksi, jotka ovat hiiren genomin kaksi suurinta. CRISPR:n avulla ryhmä pilkkoi kromosomit erilleen, jolloin ne pystyivät vaihtamaan geneettisiä paloja ja muodostamaan uudelleen vakaita geneettisiä rakenteita. Solut, jotka sisälsivät kromosomimuutoksen, injektoitiin sitten munasoluihin - munasoluihin. Tuloksena saadut alkiot siirrettiin korvikenaarashiiriin kypsymään edelleen.
Vaihto oli tappava. Keinotekoinen kromosomi, jonka jälkeen kromosomi kaksi ja kromosomi yksi tai 2+1 tappoi kehittyvän sikiön vain 12 päivää hedelmöittymisen jälkeen. Samat kaksi kromosomia, jotka fuusioituivat vastakkaiseen suuntaan, 1+2, kävivät paremmin, tuottaen eläviä pentuja, joissa oli vain 19 kromosomiparia. Hiirenvauvat olivat kokoonsa nähden epätavallisen suuria, ja useissa testeissä ne näyttivät olevan ahdistuneempia kuin normaalit ikätoverinsa.
Toinen kromosomifuusiokoe onnistui paremmin. Kromosomit 4 ja 5 ovat kooltaan paljon pienempiä, ja tuloksena oleva alkio, jota kutsutaan nimellä 4+5, kehittyi terveiksi hiirenpentuiksi. Vaikka heiltä puuttui myös kromosomipari, he vaikuttivat yllättävän normaaleilta: he eivät olleet yhtä ahdistuneita, niiden paino oli keskimääräinen ja kypsyessään synnytti pentuja, joista puuttui myös kromosomipari.
Toisin sanoen tiimi kehitti uuden karyotyypin nisäkäslajiin, joka voidaan siirtää sukupolvien kautta.
Täysin uusi synteettisen biologian maailma?
Malikille kyse on mittakaavasta. Voittamalla painamisongelman "maailma on heidän osterinsa geenitekniikan osalta", hän sanoi että Tiedemies.
Ryhmän seuraava tavoite on käyttää teknologiaa vaikeiden kromosomisairauksien ratkaisemiseen mutanttilajien suunnittelun sijaan. Keinotekoinen evoluutio on tuskin kulman takana. Mutta tutkimus osoittaa nisäkkäiden genomien yllättävän sopeutumiskyvyn.
"Yksi synteettisen biologian tavoitteista on luoda monimutkaista monisoluista elämää suunniteltujen DNA-sekvenssien avulla", kirjoittajat kirjoittivat. "DNA:n manipulointi suuressa mittakaavassa, myös kromosomitasolla, on tärkeä askel kohti tätä tavoitetta."
Kuvan luotto: Kiinan tiedeakatemia
