Érdeklődő szemeivel, szőrös pofájával és dús szőrével az egér – becenevén Xiao Zhu, vagy Kis Bambusz – fürgén ült egy bambuszszáron, és csinos pózt kölcsönöz a fényképezőgépnek. De ez az egér nem létezik a természetben.
A pekingi laboratóriumban készült Xiao Zhu a géntechnológia és a szintetikus biológia lehetőségeinek határát feszegeti. Ahelyett, hogy a szokásos 20 pár kromoszómát hordoznák, az egérnek és testvércsoportjainak csak 19 párja van. Különböző kromoszómák két darabját mesterségesen egyesítették egy merész kísérletben, amely a következő kérdést tette fel: ahelyett, hogy egyedi DNS-betűket vagy több gént módosítanánk, áthangolhatunk-e egy meglévő genomikus játékkönyvet nagykereskedelemben, és egyszerre keverjük össze a genetikai anyag hatalmas blokkjait?
Ez egy moonshot ötlet. Ha a genom egy könyv, a génszerkesztés olyan, mint a másolatszerkesztés – itt-ott módosítani kell egy elírást, vagy gondosan elhelyezett módosításokkal kijavítani több nyelvtani hibát.
A kromoszómaszintű tervezés egy teljesen más vadállat: olyan, mintha több bekezdést átrendeznénk vagy egy cikk teljes szakaszát eltolnánk, és egyúttal azt remélnénk, hogy a változtatások olyan képességeket adnak hozzá, amelyeket át lehet adni a következő generációnak.
Az élet újraprogramozása nem könnyű. Xiao Zhu DNS-felépítése olyan genetikai betűkből épül fel, amelyeket már az eonok evolúciós nyomása optimalizált. Nem meglepő, hogy egy megalapozott genomikus könyvvel való trükközés gyakran életképtelen életet eredményez. Eddig csak az élesztők élték túl kromoszómáik újratelepítését.
A Új tanulmány, kiadva Tudomány, lehetővé tette a technológiát az egerek számára. A csapat mesterségesen egyesítette az egerek kromoszómáiból származó darabokat. Egy, a negyedik és ötödik kromoszómából készült összeolvadt pár képes volt támogatni azokat az embriókat, amelyek egészséges – bár kissé furcsán viselkedő – egerekké fejlődtek. Figyelemre méltó, hogy az egerek még a normál genetikájukra való tektonikus eltolódással is képesek voltak szaporodni, és továbbadni a géntechnológiával módosított genetikai sajátosságaikat az utódok második generációjának.
"A világon először értünk el teljes kromoszóma-átrendeződést emlősökben, ami új áttörést jelent a szintetikus biológiában" mondott Dr. Wei Li tanulmány szerzője a Kínai Tudományos Akadémián.
Bizonyos értelemben a technika nyaktörő sebességgel utánozza az evolúciót. A mutációs rátára vonatkozó meglévő adatok alapján az itt bevezetett genetikai cseretípust általában több millió évbe telne természetes módon elérni.
A tanulmány nem tökéletes. A módosított egerek egyes génjei abnormálisan le lettek hangolva, ami a skizofrénia és az autizmus esetében általában megfigyelhető mintára emlékeztetett. És bár az egerek felnőtt korukra nőttek, és egészséges kölyköket tudtak tenyészteni, a születési arány sokkal alacsonyabb volt, mint a nem tervezett társaiké.
Ennek ellenére a tanulmány egy tour de force, mondott Dr. Harmit Malik evolúcióbiológus a seattle-i Fred Hutchinson Cancer Centerben, aki nem vett részt a vizsgálatban. Most már rendelkezésünkre áll ez a „gyönyörű eszköztár”, amellyel nagyobb léptékben kezelhetjük a genomikus változásokkal kapcsolatos megoldatlan kérdéseket, amelyek fényt deríthetnek a kromoszómabetegségekre.
Várjunk csak, mik is azok a kromoszómák?
A munka az evolúció régóta fennálló, új fajok építésére vonatkozó genetikai játékkönyvét érinti.
Térjünk vissza. Génjeinket DNS kettős hélix láncok kódolják, amelyek a sejt belsejében lebegő szalagokhoz hasonlítanak. Nem helytakarékos. A természet megoldása az, hogy minden láncot egy fehérjetekercs köré tekerünk, mint egy mozzarella rúdon megforgatott prosciutto szeleteket. További csavarok ezeket a struktúrákat apró korongokba csomagolják – képgyöngyökbe egy zsinóron –, amelyek aztán kromoszómákba burkolódnak. Mikroszkóp alatt többnyire úgy néznek ki, mint az X betű.
Minden faj meghatározott számú kromoszómát hordoz. Az emberi sejtek – a spermiumok és a petesejtek kivételével – 46 egyedi kromoszómát tartalmaznak, amelyek 23 párba rendeződnek, és mindegyik szülőtől örökölték. Ezzel szemben a laboratóriumi egereknek csak 20 párjuk van. A kromoszómák teljes készletét kariotípusnak nevezik, amely a görög „mag” vagy „mag” szóból származik.
A kromoszómák keveredése és egyeztetése régóta az evolúció része. A jelenlegi becslések szerint egy rágcsáló általában millió évente nagyjából 3.5 kromoszóma-átrendeződést halmoz fel; egyes szegmensek törlődnek, mások megkettőződnek vagy megkeverednek. A főemlősök esetében a változás mértéke ennek körülbelül a fele. A kromoszómadarabok körüli eltolódás minden állat számára drasztikusnak tűnhet, de ha életképesek, a változások teljesen más fajok kialakulásának nyitják meg az utat. A második kromoszómánk például két különálló kromoszómából olvadt össze, de a csípés nincs jelen a gorillában, közeli evolúciós rokonunkban.
Az új tanulmány célja az volt, hogy az evolúciónál jobb eredményt érjen el: géntechnológia segítségével azt a kérdést tette fel, hogy vajon le tudjuk-e sűríteni több millió éves evolúciót néhány hónapra? Nem csak a tudományos kíváncsiság kedvéért: kromoszómabetegségek állnak a legkeményebb orvosi rejtvényeink hátterében, mint például a gyermekkori leukémia. A tudósok korábban sugárzással kromoszóma-átrendeződést váltottak ki, de az eredményeket nem lehetett könnyen ellenőrizni, így lehetetlenné tette, hogy az állatok új utódokat szüljenek. Itt a szintetikus biológusok célzottabb megközelítést alkalmaztak.
Az első lépés annak kiderítése, hogy a kromoszómák miért ellenállnak a szervezetükben bekövetkező nagy változásoknak. Mint kiderült, a kromoszómadarabok felcserélésének – vagy egybeolvadásának – egyik fő problémája egy biológiai furcsaság, amelyet imprintingnek neveznek.
Mindkét szülőtől kapunk kromoszómákat, mindegyik készlet hasonló géneket tartalmaz. Azonban csak egy készlet van bekapcsolva. Az imprinting folyamatának működése továbbra is rejtélyes, de tudjuk, hogy ez térdkalácsot jelent az embrionális sejtek azon képességében, hogy többféle érett sejtekké fejlődjenek, és korlátozza a géntechnológia lehetőségeit.
Vissza az 2018, Ugyanez a csapat azt találta, hogy három gén törlése felülírhatja az őssejtekben a lenyomat biokémiai programját. Itt ezeket a „feloldott” őssejteket használták két kromoszómapár genetikai összeillesztésére.
Először az első és a második kromoszómára szegezték a szemüket, az egérgenom két legnagyobb kromoszómájára. A CRISPR segítségével a csapat feldarabolta a kromoszómákat, lehetővé téve számukra, hogy genetikai darabokat cseréljenek, és újra stabil genetikai konstrukciókká alakuljanak. A kromoszómaváltozást hordozó sejteket ezután petesejtekbe – tojássejtekbe – fecskendezték. Az így létrejött embriókat pótnőstény egerekbe ültettük át, hogy tovább érjenek.
A csere halálos volt. A mesterséges kromoszóma, a második kromoszóma, majd az első kromoszóma, vagyis a 2+1, megölte a fejlődő magzatot mindössze 12 nappal a fogantatás után. Ugyanannak a két kromoszómának az ellenkező irányban, 1+2-vel fuzionált, nagyobb szerencséje volt, így élő kölykök születtek mindössze 19 kromoszómapárral. A bébi egerek méretükhöz képest abnormálisan nagyok voltak, és több teszt során is nyugtalanabbnak tűntek, mint normál társaik.
A második kromoszómafúziós kísérlet jobban sikerült. A 4-es és 5-ös kromoszóma sokkal kisebb méretű, és az így létrejövő embrió – amelyet 4+5-nek neveznek – egészséges egérkölykökké fejlődött. Bár szintén hiányzott belőlük egy kromoszómapár, meglepően normálisnak tűntek: nem voltak annyira szorongóak, átlagos testsúlyúak voltak, és éréskor olyan kölyköket hoztak világra, amelyekből szintén hiányzott egy pár kromoszóma.
Más szóval, a csapat egy új kariotípust fejlesztett ki egy emlősfajban, amely generációkon keresztül továbbadható.
Egy teljesen új szintetikus biológia világ?
Malik számára minden a léptékről szól. A bevésődési probléma leküzdésével „a világ az ő osztrigájuk a géntechnológiát illetően” – mondta mondott nak nek A tudós.
A csapat következő célja, hogy mutáns fajok tervezése helyett bonyolult kromoszómabetegségek megoldására használja a technológiát. A mesterséges evolúció aligha van a sarkon. A tanulmány azonban bemutatja az emlősgenomok meglepő alkalmazkodóképességét.
"A szintetikus biológia egyik célja összetett többsejtű élet létrehozása tervezett DNS-szekvenciákkal" - írták a szerzők. "A DNS nagy léptékű manipulálása, beleértve a kromoszóma szintjét is, fontos lépés e cél felé."
A kép forrása: Kínai Tudományos Akadémia
