Meraklı gözleri, tüylü burnu ve yemyeşil postu ile, takma adı Xiao Zhu veya Küçük Bambu olan fare, bir bambu sapının üzerine çevik bir şekilde tünedi ve kameraya güzel bir poz verdi. Ama bu fare doğada yok.
Pekin'deki bir laboratuvarda yapılan Xiao Zhu, genetik mühendisliği ve sentetik biyoloji için mümkün olanın sınırlarını zorluyor. Fare ve kardeş kohortlarında olağan 20 çift kromozom yerine sadece 19 çift bulunur. Farklı kromozomların iki parçası yapay olarak birbirine kaynaştırılarak şu soruyu sordu: Tek tek DNA harflerini veya çoklu genleri değiştirmek yerine, aynı anda büyük genetik materyal bloklarını karıştırarak mevcut bir genomik oyun kitabını toptan yeniden ayarlayabilir miyiz?
Bu bir ay ışığı fikri. Genom bir kitapsa, gen düzenleme kopya düzenleme gibidir - burada burada bir yazım yanlışını değiştirmek veya dikkatlice yerleştirilmiş ince ayarlarla birden fazla dilbilgisi hatasını düzeltmek.
Kromozom düzeyinde mühendislik tamamen farklı bir canavardır: birden fazla paragrafı yeniden düzenlemek veya bir makalenin tüm bölümlerini kaydırmak ve aynı anda değişikliklerin bir sonraki nesle aktarılabilecek yetenekler eklemesini ummak gibidir.
Hayatı yeniden programlamak kolay değil. Xiao Zhu'nun DNA yapısı, çağlar boyu süren evrimsel baskıyla optimize edilmiş genetik harflerden yapılmıştır. Yerleşik bir genomik kitapla kurcalamanın çoğu zaman uygulanabilir olmayan bir yaşamla sonuçlanması şaşırtıcı değil. Şimdiye kadar, sadece maya kromozomlarının yeniden düzenlenmesinden kurtuldu.
The Yeni bir çalışma, yayınlanan Bilim, teknolojiyi fareler için mümkün kıldı. Ekip, fare kromozomlarından parçaları yapay olarak bir araya getirdi. Dördüncü ve beşinci kromozomlardan oluşan birleştirilmiş bir çift, sağlıklı (biraz garip davranmış olsa da) farelere dönüşen embriyoları destekleyebildi. Dikkat çekici bir şekilde, normal genetiklerine bu tektonik kayma ile bile, fareler çoğalabilir ve mühendislik genetik tuhaflıklarını ikinci nesil yavrulara aktarabilir.
"Dünyada ilk kez, memelilerde tam kromozomal yeniden düzenlemeyi başardık ve sentetik biyolojide yeni bir atılım gerçekleştirdik." şuraya Çin Bilimler Akademisi'nde çalışma yazarı Dr. Wei Li.
Bir bakıma teknik, evrimi boyun kırma hızında taklit ediyor. Mutasyon oranlarına ilişkin mevcut verilere dayanarak, burada tanıtılan genetik takas türünün doğal olarak elde edilmesi genellikle milyonlarca yıl alacaktır.
Çalışma mükemmel değil. Tasarlanmış farelerdeki bazı genler, genellikle şizofreni ve otizmde görülen bir kalıba benzeyen anormal şekilde ayarlanmıştı. Fareler yetişkinliğe ulaşıp sağlıklı yavrular üretebilseler de, doğum oranı mühendislikten yoksun akranlarından çok daha düşüktü.
Öyle olsa bile, çalışma bir tur de güçtür, şuraya Seattle'daki Fred Hutchinson Kanser Merkezi'nde çalışmaya katılmayan evrimsel biyolog Dr. Harmit Malik. Şimdi, genomik değişikliklerle ilgili olağanüstü soruları daha büyük ölçekte ele almak ve kromozomal hastalıklara potansiyel olarak ışık tutmak için bu "güzel araç setine" sahibiz.
Bekleyin, Kromozomlar Nedir?
Çalışma, yeni türler oluşturmak için evrimin uzun süredir devam eden genetik oyun kitabından yararlanıyor.
Geri çekilelim. Genlerimiz, hücre içinde yüzen şeritlere benzeyen DNA çift sarmal zincirlerinde kodlanmıştır. Yerden tasarruflu değil. Doğanın çözümü, her zinciri bir mozzarella çubuğunun üzerinde döndürülen prosciutto dilimleri gibi bir protein makarasının etrafına sarmaktır. Ek bükülmeler, bu yapıları küçük diskler halinde paketler - bir ip üzerindeki resim boncukları - daha sonra kromozomlara sarılır. Mikroskop altında çoğunlukla X harfine benziyorlar.
Her tür belirli sayıda kromozom taşır. Sperm ve yumurta hariç insan hücrelerinin tümü, her bir ebeveynden miras kalan 46 çift halinde düzenlenmiş 23 ayrı kromozomu barındırır. Laboratuar fareleri, aksine, sadece 20 çifte sahiptir. Kromozom setinin tamamı, Yunanca "çekirdek" veya "tohum" kelimesinden türetilen karyotip olarak adlandırılır.
Kromozomları karıştırmak ve eşleştirmek uzun zamandır evrimin bir parçası olmuştur. Mevcut tahminlere göre, bir kemirgen genellikle her milyon yılda bir kabaca 3.5 kromozom yeniden düzenlemesi biriktirir; bazı segmentler silinir, diğerleri kopyalanır veya karıştırılır. Primatlar için değişim oranı bunun yarısı kadardır. Kromozom parçalarının etrafından dolaşmak, herhangi bir hayvan için sert görünebilir, ancak uygulanabilir olduğunda, değişiklikler tamamen farklı türlerin evrimleşmesinin yolunu açar. Örneğin bizim ikinci kromozomumuz, iki ayrı kromozomdan kaynaşmıştı, ancak bu ince ayar, yakın evrimsel kuzenimiz olan gorilde mevcut değil.
Yeni çalışma, evrimden daha iyisini yapmayı amaçladı: genetik mühendisliği kullanarak, milyonlarca yıllık evrimi sadece birkaç aya indirebilir miyiz? Bu sadece bilimsel merak için değil: kromozom hastalıkları, çocukluk çağı lösemisi gibi en zorlu tıbbi bilmecelerimizden bazılarının altında yatmaktadır. Bilim adamları daha önce radyasyon kullanarak kromozom yeniden düzenlemesini tetiklemişlerdi, ancak sonuçlar kolayca kontrol edilemezdi ve bu da hayvanların yeni yavrular doğurmasını imkansız hale getirdi. Burada, sentetik biyologlar daha hedefe yönelik bir yaklaşım benimsediler.
İlk adım, kromozomların organizasyonlarındaki büyük değişikliklere neden dirençli olduğunu bulmaktır. Görünen o ki, kromozom parçalarını değiştirmek veya kaynaştırmak için büyük bir hıçkırık, damgalama adı verilen biyolojik bir tuhaflıktır.
Her iki ebeveynden de benzer genler içeren kromozomlar alıyoruz. Ancak, yalnızca bir set açılır. Damgalama sürecinin nasıl çalıştığı hala gizemini koruyor, ancak bunun embriyonik hücrelerin birden fazla türde olgun hücreye dönüşme yeteneğini dizginlediğini ve genetik mühendisliği için potansiyellerini sınırladığını biliyoruz.
Geri 2018 içinde, Aynı ekip, üç genin silinmesinin, kök hücrelerdeki biyokimyasal programı baskılamayı geçersiz kıldığını buldu. Burada, iki kromozom çiftini genetik olarak birleştirmek için bu "kilitsiz" kök hücreleri kullandılar.
Önce, bir fare genomundaki en büyük iki kromozom olan birinci ve ikinci kromozomlara gözlerini diktiler. Ekip, CRISPR kullanarak kromozomları parçalayarak genetik parçaları değiştirmelerine ve kararlı genetik yapılara yeniden şekillenmelerine izin verdi. Kromozom değişikliğini barındıran hücreler daha sonra oositlere, yani yumurta hücrelerine enjekte edildi. Elde edilen embriyolar, daha fazla olgunlaşmak için vekil dişi farelere nakledildi.
Takas ölümcül oldu. İkinci kromozomu, ardından birinci kromozomu veya 2+1'i takip eden yapay kromozom, gelişmekte olan fetüsü, gebe kaldıktan sadece 12 gün sonra öldürdü. Ters yönde kaynaşmış aynı iki kromozom, 1+2, daha iyi şansa sahipti ve sadece 19 kromozom çifti olan canlı yavrular verdi. Bebek fareler boyutlarına göre anormal derecede büyüktü ve birkaç testte normal akranlarından daha endişeli görünüyordu.
İkinci bir kromozom füzyon deneyi daha iyi sonuç verdi. 4. ve 5. kromozomların boyutu çok daha küçüktür ve sonuçta ortaya çıkan embriyo - 4+5 olarak adlandırılır - sağlıklı fare yavrularına dönüşür. Ayrıca bir kromozom çifti olmamasına rağmen şaşırtıcı derecede normal görünüyorlardı: o kadar endişeli değillerdi, ortalama vücut ağırlıklarına sahiptiler ve olgunlaştıklarında yine bir çift kromozomu olmayan yavrular doğurdular.
Başka bir deyişle, ekip, nesiller boyunca aktarılabilecek bir memeli türünde yeni bir karyotip tasarladı.
Yepyeni Bir Sentetik Biyoloji Dünyası mı?
Malik için her şey ölçekle ilgili. Damgalama sorununu aşarak, "dünya, genetik mühendisliği açısından onların istiridyesidir". şuraya için The Scientist.
Takımın bir sonraki hedefi, mutant türler tasarlamak yerine bu teknolojiyi zor kromozomal hastalıkları çözmek için kullanmak. Yapay evrim neredeyse köşede. Ancak çalışma, memeli genomlarının şaşırtıcı şekilde uyarlanabilirliğini gözler önüne seriyor.
Yazarlar, "Sentetik biyolojideki hedeflerden biri, tasarlanmış DNA dizileriyle karmaşık çok hücreli yaşam oluşturmaktır" diye yazdı. "Kromozom seviyesi de dahil olmak üzere DNA'yı büyük ölçeklerde manipüle edebilmek, bu hedefe doğru önemli bir adımdır."
Resim Kredisi: Çin Bilimler Akademisi
