ด้วยดวงตาที่อยากรู้อยากเห็น จมูกที่มีขนยาว และหนังอันเขียวชอุ่ม หนูซึ่งมีชื่อเล่นว่า Xiao Zhu หรือ Little Bamboo ได้เกาะอยู่บนก้านไม้ไผ่อย่างปราดเปรียว สร้างท่าโพสที่สวยงามให้กับกล้อง แต่หนูตัวนี้ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ
Xiao Zhu สร้างขึ้นในห้องทดลองในกรุงปักกิ่ง ก้าวข้ามขอบเขตของความเป็นไปได้สำหรับพันธุวิศวกรรมและชีววิทยาสังเคราะห์ แทนที่จะเก็บโครโมโซมตามปกติไว้ 20 คู่ หนูและกลุ่มพี่น้องจะมีเพียง 19 คู่เท่านั้น โครโมโซมที่แตกต่างกันสองชิ้นถูกหลอมรวมเข้าด้วยกันในการทดลองที่ท้าทายซึ่งถามว่า: แทนที่จะปรับแต่งตัวอักษร DNA แต่ละตัวหรือหลายยีน เราสามารถปรับแต่ง playbook จีโนมที่มีอยู่ขายส่งอีกครั้ง โดยสับบล็อกสารพันธุกรรมจำนวนมหาศาลไปพร้อม ๆ กันได้หรือไม่
มันเป็นความคิดที่ดวงจันทร์ หากจีโนมเป็นหนังสือ การแก้ไขยีนก็เหมือนกับการแก้ไขการคัดลอก เปลี่ยนการพิมพ์ผิดที่นี่และที่นั่น หรือแก้ไขข้อผิดพลาดทางไวยากรณ์หลายรายการด้วยการปรับแต่งอย่างระมัดระวัง
วิศวกรรมระดับโครโมโซมเป็นสัตว์ร้ายที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง มันเหมือนกับการจัดเรียงย่อหน้าหลายย่อหน้าใหม่หรือย้ายส่วนทั้งหมดของบทความ และหวังว่าการเปลี่ยนแปลงจะเพิ่มความสามารถที่สามารถส่งต่อไปยังรุ่นต่อไปไปพร้อมๆ กัน
การเขียนโปรแกรมชีวิตใหม่ไม่ใช่เรื่องง่าย โครงสร้าง DNA ของ Xiao Zhu สร้างขึ้นจากตัวอักษรทางพันธุกรรมที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยแรงกดดันทางวิวัฒนาการมายาวนาน ไม่น่าแปลกใจเลยที่การแก้ไขหนังสือจีโนมที่เป็นที่ยอมรับมักส่งผลให้ชีวิตไม่สามารถทำงานได้ จนถึงขณะนี้ มีเพียงยีสต์เท่านั้นที่รอดชีวิตจากการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซม
พื้นที่ การศึกษาใหม่, ตีพิมพ์ใน วิทยาศาสตร์ทำให้เทคโนโลยีนี้เป็นไปได้สำหรับหนู ทีมงานได้หลอมรวมชิ้นส่วนจากโครโมโซมของหนูเข้าด้วยกัน คู่ผสมหนึ่งคู่ที่ทำจากโครโมโซมสี่และห้าสามารถรองรับตัวอ่อนที่พัฒนาเป็นหนูที่มีสุขภาพดีได้ (หากมีพฤติกรรมแปลกๆ บ้าง) เป็นที่น่าสังเกตว่าถึงแม้การเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลกไปสู่พันธุกรรมตามปกติ หนูก็สามารถสืบพันธุ์และถ่ายทอดลักษณะพิเศษทางพันธุกรรมที่ได้รับการออกแบบไปยังลูกหลานรุ่นที่สองได้
“นับเป็นครั้งแรกในโลกที่เราประสบความสำเร็จในการจัดเรียงโครโมโซมใหม่ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอย่างสมบูรณ์ ทำให้เกิดความก้าวหน้าครั้งใหม่ในชีววิทยาสังเคราะห์” กล่าวว่า ผู้เขียนการศึกษา ดร. Wei Li จาก Chinese Academy of Sciences
ในทางใดทางหนึ่ง เทคนิคนี้เลียนแบบวิวัฒนาการด้วยความเร็วที่หักคอ จากข้อมูลที่มีอยู่เกี่ยวกับอัตราการกลายพันธุ์ ประเภทของการแลกเปลี่ยนทางพันธุกรรมที่แนะนำในที่นี้โดยทั่วไปจะใช้เวลาหลายล้านปีกว่าจะบรรลุผลตามธรรมชาติ
การศึกษาไม่สมบูรณ์แบบ ยีนบางตัวในหนูที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมมีการปรับลดลงอย่างผิดปกติ คล้ายกับรูปแบบที่มักพบในโรคจิตเภทและออทิสติก แม้ว่าหนูจะโตเป็นผู้ใหญ่และสามารถผสมพันธุ์ลูกหมาที่แข็งแรงได้ แต่อัตราการเกิดยังต่ำกว่าหนูที่ไม่ได้ออกแบบทางวิศวกรรมมาก
ถึงกระนั้น การศึกษาก็ยังเป็นทัวร์เดอบังคับ กล่าวว่า นักชีววิทยาด้านวิวัฒนาการ ดร. ฮาร์มิต มาลิก จากศูนย์มะเร็งเฟรด ฮัทชินสัน ในซีแอตเทิล ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาวิจัยนี้ ขณะนี้เรามี "ชุดเครื่องมือที่สวยงาม" นี้เพื่อจัดการกับคำถามที่โดดเด่นเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงจีโนมในระดับที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งอาจให้ความกระจ่างเกี่ยวกับโรคโครโมโซม
เดี๋ยวก่อน โครโมโซมคืออะไรอีกครั้ง?
งานนี้เจาะลึกเข้าไปในคู่มือพันธุกรรมที่มีมายาวนานของวิวัฒนาการในการสร้างสายพันธุ์ใหม่
มาสำรองข้อมูลกันเถอะ ยีนของเราถูกเข้ารหัสในสายโซ่เกลียวคู่ของ DNA ซึ่งมีลักษณะคล้ายริบบิ้นที่ลอยอยู่ภายในเซลล์ มันไม่ประหยัดพื้นที่ วิธีแก้ปัญหาตามธรรมชาติคือการพันโซ่แต่ละเส้นไว้รอบแกนม้วนโปรตีน เช่น ไส้กรอกโปรชูตโตที่พันไว้บนมอสซาเรลลาสติ๊ก การบิดเพิ่มเติมจะบรรจุโครงสร้างเหล่านี้ให้เป็นก้อนเล็กๆ—ลูกปัดรูปภาพบนเชือก—ซึ่งจะห่อหุ้มเป็นโครโมโซม ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ พวกมันส่วนใหญ่จะดูเหมือนตัวอักษร X
แต่ละสปีชีส์มีจำนวนโครโมโซมที่กำหนด เซลล์ของมนุษย์ ยกเว้นสเปิร์มและไข่ ทั้งหมดมีโครโมโซม 46 โครโมโซม จัดเรียงเป็น 23 คู่ ซึ่งสืบทอดมาจากพ่อแม่แต่ละคน ในทางตรงกันข้าม หนูทดลองมีเพียง 20 คู่เท่านั้น โครโมโซมทั้งชุดเรียกว่าคาริโอไทป์ ซึ่งมาจากคำภาษากรีกว่า "เคอร์เนล" หรือ "เมล็ดพืช"
การผสมและจับคู่โครโมโซมเป็นส่วนหนึ่งของวิวัฒนาการมายาวนาน ตามการประมาณการในปัจจุบัน โดยทั่วไปแล้ว สัตว์ฟันแทะจะสะสมการจัดเรียงโครโมโซมใหม่ประมาณ 3.5 ครั้งทุกๆ ล้านปี บางเซ็กเมนต์ถูกลบ ส่วนอื่นๆ ซ้ำหรือสับเปลี่ยน สำหรับไพรเมต อัตราการเปลี่ยนแปลงมีประมาณครึ่งหนึ่ง การเปลี่ยนโครโมโซมเป็นชิ้นๆ อาจดูรุนแรงสำหรับสัตว์ทุกชนิด แต่เมื่อทำได้ การเปลี่ยนแปลงจะปูทางไปสู่การพัฒนาสายพันธุ์ที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น โครโมโซม XNUMX ของเราถูกหลอมรวมจากสองโครโมโซมที่แยกจากกัน แต่การปรับแต่งนั้นไม่มีอยู่ในกอริลลา ซึ่งเป็นลูกพี่ลูกน้องวิวัฒนาการที่ใกล้ชิดของเรา
การศึกษาใหม่นี้มุ่งหวังที่จะทำสิ่งที่ดีกว่าวิวัฒนาการ โดยถามว่า เราสามารถย่อวิวัฒนาการนับล้านปีให้เหลือเพียงไม่กี่เดือนได้หรือไม่? ไม่ใช่เพียงเพื่อความอยากรู้ทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น โรคโครโมโซมเป็นสาเหตุของปัญหาทางการแพทย์ที่ยากที่สุดบางประการ เช่น มะเร็งเม็ดเลือดขาวในวัยเด็ก ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์ได้กระตุ้นการจัดเรียงโครโมโซมใหม่โดยใช้รังสี แต่ผลลัพธ์ไม่สามารถควบคุมได้ง่าย ทำให้สัตว์ไม่สามารถให้กำเนิดลูกหลานใหม่ได้ ในที่นี้ นักชีววิทยาสังเคราะห์ใช้แนวทางที่ตรงเป้าหมายมากขึ้น
ขั้นตอนแรกคือการหาคำตอบว่าทำไมโครโมโซมถึงทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในองค์กร ปรากฎว่าอาการสะอึกครั้งใหญ่ในการแลกเปลี่ยนหรือการหลอมรวมของโครโมโซมเป็นลักษณะเฉพาะทางชีววิทยาที่เรียกว่าการพิมพ์
เราได้รับโครโมโซมจากทั้งพ่อและแม่ โดยแต่ละชุดจะมียีนที่คล้ายคลึงกัน อย่างไรก็ตาม มีเพียงชุดเดียวที่เปิดอยู่ กระบวนการประทับตราทำงานอย่างไรยังคงเป็นปริศนา แต่เรารู้ว่ามันจำกัดความสามารถของเซลล์ตัวอ่อนในการพัฒนาเป็นเซลล์ที่โตเต็มวัยหลายประเภท และจำกัดศักยภาพของพวกมันในการทำพันธุวิศวกรรม
ย้อนกลับไปใน 2018, ทีมเดียวกันพบว่าการลบยีน XNUMX ตัวสามารถแทนที่โปรแกรมทางชีวเคมีที่ฝังอยู่ในเซลล์ต้นกำเนิดได้ ที่นี่พวกเขาใช้เซลล์ต้นกำเนิดที่ "ปลดล็อค" เหล่านี้เพื่อปะติดปะต่อโครโมโซมสองคู่เข้าด้วยกัน
ขั้นแรกพวกเขาจับตาดูโครโมโซม XNUMX และ XNUMX ซึ่งเป็นโครโมโซมสองตัวที่ใหญ่ที่สุดในจีโนมของเมาส์ ทีมงานใช้ CRISPR ในการตัดโครโมโซมออกจากกัน ช่วยให้พวกเขาสามารถสลับส่วนทางพันธุกรรมและเปลี่ยนรูปแบบใหม่เป็นโครงสร้างทางพันธุกรรมที่เสถียร เซลล์ที่เก็บการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซมจะถูกฉีดเข้าไปในเซลล์ไข่ซึ่งก็คือเซลล์ไข่ ตัวอ่อนที่ได้จะถูกย้ายไปยังหนูตัวเมียที่ตั้งครรภ์แทนเพื่อให้เจริญเติบโตต่อไป
การแลกเปลี่ยนนั้นร้ายแรง โครโมโซมเทียมที่มีโครโมโซม 2 ตามด้วยโครโมโซม 1 หรือ 12+1 สามารถฆ่าทารกในครรภ์ได้เพียง 2 วันหลังปฏิสนธิ โครโมโซมสองตัวเดียวกันที่หลอมรวมไปในทิศทางตรงกันข้ามคือ 19+XNUMX มีโชคดีกว่า โดยให้ลูกที่มีโครโมโซมเพียง XNUMX คู่เท่านั้น ลูกหนูมีขนาดเล็กกว่าปกติ และในการทดสอบหลายครั้ง ดูเหมือนกังวลมากกว่าหนูปกติทั่วไป
การทดลองฟิวชั่นโครโมโซมครั้งที่สองมีอาการดีขึ้น โครโมโซม 4 และ 5 มีขนาดเล็กกว่ามาก และตัวอ่อนที่ได้ซึ่งมีชื่อว่า 4+5 ก็ได้พัฒนาเป็นลูกหนูที่มีสุขภาพดี แม้ว่าจะขาดคู่โครโมโซม แต่พวกมันก็ดูปกติอย่างน่าประหลาดใจ พวกมันไม่วิตกกังวล มีน้ำหนักตัวโดยเฉลี่ย และเมื่อโตเต็มที่ก็ให้กำเนิดลูกสุนัขที่ขาดโครโมโซมคู่หนึ่งเช่นกัน
กล่าวอีกนัยหนึ่ง ทีมงานได้ออกแบบคาริโอไทป์ใหม่ในสายพันธุ์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่สามารถถ่ายทอดต่อจากรุ่นสู่รุ่นได้
โลกชีววิทยาสังเคราะห์ใหม่ทั้งหมดเหรอ?
สำหรับมาลิก มันเป็นเรื่องของขนาด ด้วยการเอาชนะปัญหารอยประทับ “โลกคือหอยนางรมของมันไกลถึงพันธุวิศวกรรม” เขา กล่าวว่า ไปยัง นักวิทยาศาสตร์.
เป้าหมายต่อไปของทีมคือการใช้เทคโนโลยีเพื่อแก้ปัญหาโรคโครโมโซมที่ยากลำบาก แทนที่จะออกแบบสายพันธุ์กลายพันธุ์ วิวัฒนาการประดิษฐ์นั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย แต่การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับตัวของจีโนมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมได้อย่างน่าประหลาดใจ
“เป้าหมายประการหนึ่งของชีววิทยาสังเคราะห์คือการสร้างชีวิตหลายเซลล์ที่ซับซ้อนด้วยลำดับดีเอ็นเอที่ออกแบบมา” ผู้เขียนเขียน “ความสามารถในการจัดการ DNA ในปริมาณมาก รวมถึงในระดับโครโมโซม ถือเป็นก้าวสำคัญในการบรรลุเป้าหมายนี้”
เครดิตรูปภาพ: Chinese Academy of Sciences
