Miška z vzdevkom Xiao Zhu ali mali bambus je s svojimi radovednimi očmi, kosmatim gobcem in bujnim dlakom okretno sedela na bambusovem steblu in zavzela lepo pozo za kamero. Toda te miške v naravi ni.
Xiao Zhu, izdelan v laboratoriju v Pekingu, premika meje možnega za genski inženiring in sintetično biologijo. Namesto običajnih 20 parov kromosomov imajo miš in njene sorodnice samo 19 parov. Dva kosa različnih kromosomov sta bila umetno spojena skupaj v drznem eksperimentu, ki se je spraševal: ali lahko namesto prilagajanja posameznih črk DNK ali več genov na debelo znova uglasimo obstoječo genomsko knjigo iger in hkrati premešamo ogromne bloke genetskega materiala?
To je zamisel o mesečini. Če je genom knjiga, je urejanje genov podobno urejanju kopij – tu in tam spremenite tipkarsko napako ali popravite več slovničnih napak s skrbno postavljenimi popravki.
Inženiring na ravni kromosomov je popolnoma drugačna zver: to je kot preurejanje več odstavkov ali premikanje celotnih delov članka in hkrati upanje, da bodo spremembe dodale zmogljivosti, ki jih je mogoče prenesti na naslednjo generacijo.
Reprogramiranje življenja ni enostavno. Sestava DNK Xiao Zhuja je zgrajena iz genetskih črk, ki so jih že optimizirali eoni evolucijskega pritiska. Ni presenetljivo, da poigravanje z uveljavljeno genomsko knjigo pogosto povzroči življenje, ki ni izvedljivo. Doslej so le kvasovke preživele ponovno menjavo svojih kromosomov.
O Nova študija, objavljeno v Znanost, omogočil tehnologijo za miši. Ekipa je umetno združila dele mišjih kromosomov. En zlit par, sestavljen iz kromosomov štiri in pet, je lahko podpiral zarodke, ki so se razvili v zdrave miši, čeprav so se obnašale nekoliko čudno. Zanimivo je, da so se miši lahko tudi s tem tektonskim premikom k normalni genetiki razmnoževale in prenesle svoje genetske posebnosti na drugo generacijo potomcev.
"Prvič na svetu smo dosegli popolno kromosomsko preureditev pri sesalcih, kar je nov preboj v sintetični biologiji," je dejal avtor študije dr. Wei Li na Kitajski akademiji znanosti.
Na nek način tehnika posnema evolucijo z vrtoglavo hitrostjo. Glede na obstoječe podatke o stopnjah mutacije bi tip genetske zamenjave, ki je tukaj uveden, na splošno potreboval milijone let, da bi jo naravno dosegli.
Študija ni popolna. Nekateri geni v miših z inženiringom so bili nenormalno uglašeni, kar spominja na vzorec, ki ga običajno vidimo pri shizofreniji in avtizmu. In čeprav so miši zrasle do odrasle dobe in so lahko rodile zdrave mladiče, je bila stopnja rodnosti veliko nižja kot pri njihovih neinženirskih vrstnicah.
Kljub temu je študija tour de force, je dejal evolucijski biolog dr. Harmit Malik iz Centra za raka Fred Hutchinson v Seattlu, ki ni bil vključen v študijo. Zdaj imamo ta »čudovit komplet orodij« za reševanje odprtih vprašanj v zvezi z genomskimi spremembami v večjem obsegu, ki bi lahko osvetlile kromosomske bolezni.
Čakaj, kaj so spet kromosomi?
Delo se dotakne dolgoletnega genetskega načrta evolucije za gradnjo novih vrst.
Pojdimo nazaj. Naši geni so kodirani v verigah dvojne vijačnice DNK, ki spominjajo na trakove, ki lebdijo v celici. Ni prostorsko učinkovito. Rešitev narave je, da vsako verigo ovijete okoli beljakovinskega koluta, kot rezine pršuta, ki jih vrtite na palčki mocarele. Dodatni zavoji zapakirajo te strukture v drobne ploščke – slikovne kroglice na vrvici – ki se nato zavijejo v kromosome. Pod mikroskopom so večinoma videti kot črka X.
Vsaka vrsta nosi določeno število kromosomov. Človeške celice – razen semenčic in jajčec – imajo vse 46 posameznih kromosomov, razporejenih v 23 parov, podedovanih od vsakega starša. Nasprotno pa imajo laboratorijske miši samo 20 parov. Celoten nabor kromosomov se imenuje kariotip, ki izhaja iz grške besede "jedro" ali "seme".
Mešanje in ujemanje kromosomov je že dolgo del evolucije. Po sedanjih ocenah glodalec na splošno nabere približno 3.5 kromosomske preureditve vsakih milijon let; nekateri segmenti se izbrišejo, drugi podvojijo ali premešajo. Pri primatih je stopnja sprememb približno polovična. Premikanje po delih kromosomov se lahko zdi drastično za katero koli žival, toda ko je izvedljivo, spremembe utirajo pot za razvoj popolnoma drugačnih vrst. Naš kromosom dve, na primer, je bil zlit iz dveh ločenih, vendar sprememba ni prisotna pri gorili, naši bližnji evolucijski sorodnici.
Nova študija je želela narediti eno boljšo od evolucije: z uporabo genskega inženiringa se je vprašala, ali lahko strnemo milijone let evolucije na samo nekaj mesecev? Ne gre le za znanstveno radovednost: kromosomske bolezni so osnova nekaterih naših najtežjih medicinskih zagat, kot je otroška levkemija. Znanstveniki so že prej sprožili kromosomsko preureditev z uporabo sevanja, vendar rezultatov ni bilo enostavno nadzorovati, zaradi česar živali niso imele skotitve novih potomcev. Tukaj so sintetični biologi ubrali bolj ciljno usmerjen pristop.
Prvi korak je ugotoviti, zakaj so kromosomi odporni na velike spremembe v svoji organizaciji. Izkazalo se je, da je glavna težava pri zamenjavi ali spajanju kosov kromosomov biološka posebnost, imenovana imprinting.
Kromosome prejmemo od obeh staršev, pri čemer vsak komplet vsebuje podobne gene. Vendar je vklopljen samo en komplet. Kako deluje proces vtiskovanja, ostaja skrivnost, vendar vemo, da onemogoča sposobnost embrionalnih celic, da se razvijejo v več vrst zrelih celic, in omejuje njihov potencial za genski inženiring.
Nazaj v 2018, ista ekipa je ugotovila, da lahko izbris treh genov preglasi biokemični program imprintiranja v izvornih celicah. Tukaj so uporabili te "odklenjene" matične celice za genetsko povezovanje dveh parov kromosomov.
Najprej so si ogledali kromosoma ena in dva, največja dva v mišjem genomu. Z uporabo CRISPR je ekipa razrezala kromosome, kar jim je omogočilo zamenjavo genetskih delov in preoblikovanje v stabilne genetske konstrukte. Celice, v katerih je bila sprememba kromosoma, so bile nato vbrizgane v jajčne celice – jajčne celice. Nastale zarodke so presadili v nadomestne samice miši, da bi nadalje dozorele.
Menjava je bila smrtonosna. Umetni kromosom s kromosomom dve, ki mu sledi kromosom ena ali 2+1, je ubil razvijajoči se plod le 12 dni po spočetju. Ista dva kromosoma, zlita v nasprotni smeri, 1+2, sta imela več sreče in dala žive mladiče s samo 19 pari kromosomov. Mladički miši so bili nenormalno veliki za svojo velikost in v več testih so bili videti bolj zaskrbljeni kot njihovi običajni vrstniki.
Drugi eksperiment s fuzijo kromosomov je bil boljši. Kromosoma 4 in 5 sta veliko manjša in nastali zarodek – imenovan 4+5 – se je razvil v zdrave mišje mladiče. Čeprav tudi brez kromosomskega para, so se zdeli presenetljivo normalni: niso bili tako zaskrbljeni, imeli so povprečno telesno težo in ko so dozoreli, so skotili mladiče, ki prav tako niso imeli para kromosomov.
Z drugimi besedami, ekipa je izdelala nov kariotip v vrsti sesalcev, ki bi se lahko prenašal skozi generacije.
Povsem nov svet sintetične biologije?
Za Malika je vse odvisno od obsega. S premagovanjem problema vtiskovanja je "svet njihova ostriga, kar se tiče genskega inženiringa," je je dejal do Znanstvenik.
Naslednji cilj ekipe je uporabiti tehnologijo za reševanje težavnih kromosomskih bolezni, namesto da bi oblikovali mutirane vrste. Umetna evolucija je komaj za vogalom. Toda študija prikazuje presenetljivo prilagodljivost genomov sesalcev.
"Eden od ciljev sintetične biologije je ustvariti kompleksno večcelično življenje z oblikovanimi zaporedji DNK," so zapisali avtorji. "Zmožnost manipulacije DNK v velikem obsegu, tudi na ravni kromosomov, je pomemben korak k temu cilju."
Avtorstvo slike: Kitajska akademija znanosti
