חוקרי אוניברסיטת פנסילבניה השיגו פריצת דרך גדולה בטכנולוגיית הכרומוזומים המלאכותיים האנושיים, ופיתחו שיטה חדשה המפשטת את הבנייה של HACs. חידוש זה מבטיח להאיץ את מחקר ה-DNA ויכול להשפיע באופן משמעותי על ריפוי גנטי וביוטכנולוגיה, להציע אלטרנטיבה אמינה למערכות אספקת גנים הנוכחיות ולהרחיב את הפוטנציאל להנדסה גנטית בתחומים שונים.
חוקרים מציינים כי טכניקה זו תשפר את יעילות המחקר במעבדה ותרחיב את היקף הטיפול הגנטי.
כרומוזומים אנושיים מלאכותיים שמתפקדים בתוך תאים אנושיים מחזיקים בפוטנציאל לחולל מהפכה בטיפולים הגנים, כולל טיפולים לסוגי סרטן מסוימים, ויש להם שימושים מעבדתיים רבים. עם זאת, אתגרים טכניים משמעותיים עצרו את התקדמותם.
כעת צוות בראשות חוקרים מבית הספר לרפואה פרלמן באוניברסיטת פנסילבניה עשה פריצת דרך משמעותית בתחום זה שעוקף למעשה אבן נגף נפוצה.
במחקר שפורסם לאחרונה ב מַדָעהחוקרים הסבירו כיצד הם המציאו טכניקה יעילה להכנת HACs מבניינים בודדים וארוכים של מעצב DNA. שיטות קודמות לייצור HACs הוגבלו על ידי העובדה שמבני ה-DNA המשמשים לייצורם נוטים להצטרף יחד – "מולטימריזציה" – בסדרות ארוכות בלתי צפויות ועם סידורים מחדש בלתי צפויים. השיטה החדשה מאפשרת ליצור HACs במהירות ובדייקנות רבה יותר, אשר, בתורו, יזרז ישירות את הקצב שבו ניתן לבצע מחקר DNA. עם הזמן, עם מערכת אספקה יעילה, טכניקה זו יכולה להוביל לטיפולי תאים מהונדסים יותר למחלות כמו סרטן.
שיפוץ עיצוב HAC
"בעיקרון, עשינו שיפוץ מלא של הגישה הישנה לתכנון ואספקה של HAC", אמר בן בלאק, דוקטור, פרופסור לביוכימיה וביופיזיקה של קרן אלדרידג' ריבס ג'ונסון בפן. "ה-HAC שבנינו מאוד אטרקטיבי עבור פריסה בסופו של דבר ביישומי ביוטכנולוגיה, למשל, שבהם רצוי הנדסה גנטית בקנה מידה גדול של תאים. הבונוס הוא שהם קיימים לצד כרומוזומים טבעיים מבלי צורך לשנות את הכרומוזומים הטבעיים בתא".
ה-HACs הראשונים פותחו לפני 25 שנה, וטכנולוגיית הכרומוזומים המלאכותיים כבר מתקדמת היטב עבור הכרומוזומים הקטנים והפשוטים יותר של אורגניזמים נמוכים יותר כמו חיידקים ושמרים. כרומוזומים אנושיים הם עניין אחר, בעיקר בגלל הגדלים הגדולים יותר והצנטרומרים המורכבים יותר, האזור המרכזי שבו מחוברות זרועות הכרומוזומים בצורת X. חוקרים הצליחו לגרום לכרומוזומים מלאכותיים אנושיים קטנים להיווצר מאורכים מקושרים עצמיים של DNA שנוספו לתאים, אך אורכי DNA אלה מתרבים עם ארגונים בלתי צפויים ומספרי העתקה – מה שמסבך את השימוש הטיפולי או המדעי שלהם – וה-HACs שנוצרו לפעמים אפילו מסתיימים שילוב של פיסות כרומוזומים טבעיים מתאי המארחים שלהם, מה שהופך את העריכות שלהם ללא אמינות.
במחקרם, החוקרים של Penn Medicine המציאו HACs משופרים עם מספר חידושים: אלה כללו מבני DNA ראשוניים גדולים יותר המכילים צנטרומרים גדולים ומורכבים יותר, המאפשרים HACs להיווצר מעותקים בודדים של מבנים אלה. למסירה לתאים, הם השתמשו במערכת מסירה מבוססת תאי שמרים המסוגלת לשאת מטענים גדולים יותר.
"במקום לנסות לעכב מולטימריזציה, למשל, פשוט עקפנו את הבעיה על ידי הגדלת גודל מבנה ה-DNA הקלט כך שהוא נוטה באופן טבעי להישאר בצורת עותק בודד צפוי", אמר בלאק.
החוקרים הראו שהשיטה שלהם הייתה יעילה הרבה יותר ביצירת HACs קיימא בהשוואה לשיטות סטנדרטיות, והניבה HACs שיכלו להתרבות את עצמם במהלך חלוקת התא.
יתרונות ויישומים עתידיים
היתרונות הפוטנציאליים של כרומוזומים מלאכותיים – בהנחה שניתן להעביר אותם בקלות לתאים ולפעול כמו כרומוזומים טבעיים – רבים. הם יציעו פלטפורמות בטוחות יותר, פרודוקטיביות יותר ועמידות יותר לביטוי גנים טיפוליים, בניגוד ל נגיףמערכות מתן גנים מבוססות שיכולות לעורר תגובות חיסוניות ולכרוך בהחדרה של ויראלית מזיקה לכרומוזומים טבעיים. ביטוי גנים תקין בתאים דורש גם גורמים רגולטוריים מקומיים ומרוחקים רבים, שלמעשה בלתי אפשרי להתרבות באופן מלאכותי מחוץ להקשר דמוי כרומוזום. יתרה מכך, כרומוזומים מלאכותיים, בניגוד לוקטורים ויראליים צפופים יחסית, יאפשרו ביטוי של אנסמבלים גדולים ומשתפים פעולה של גנים, למשל, לבניית מכונות חלבון מורכבות.
בלאק מצפה שאותה גישה רחבה שקבוצתו נקטה במחקר זה תהיה שימושית בייצור כרומוזומים מלאכותיים עבור אורגניזמים גבוהים אחרים, כולל צמחים ליישומים חקלאיים כגון יבולים עמידים למזיקים עם תשואה גבוהה.
חוקרים ממכון ג'יי קרייג ונטר, אוניברסיטת אדינבורו והאוניברסיטה הטכנית דרמשטט היו מעורבים במחקר.
העבודה נתמכה על ידי ה המכונים הלאומיים לבריאות (GM130302, HG012445, CA261198 ו-GM007229).
