Un grup de cercetători americani de la Penn a creat o tehnică nouă pentru a produce cromozomi artificiali umani. Ei spun că metoda va permite avansarea cercetărilor de laborator şi va extinde terapia genică. În timp, cu un sistem de livrare eficient, această tehnică ar putea duce la terapii celulare mai bune pentru boli precum cancerul.
Un grup de oameni de ştiinţă de la facultatea de medicină Perelman, a Universităţii din Pennsylvania (Penn Medicine), a dezvoltat o nouă metodă de creare a cromozomilor artificiali umani (HAC) care ar putea revoluţiona terapia genică şi alte aplicaţii biotehnologice.
Uun studiu, publicat recent în revista Science, descrie o abordare care formează în mod eficient cromozomi artificiali cu o singură copie, ocolind un obstacol care a împiedicat progresul în acest domeniu timp de decenii.
Cromozomii artificiali umani, capabili să funcţioneze în celulele umane, ar putea alimenta terapiile genice avansate, inclusiv cele care se adresează anumitor tipuri de cancer, precum şi numeroase aplicaţii de laborator, deşi obstacole tehnice serioase au împiedicat dezvoltarea lor.
Noua metodă permite crearea mai rapidă şi mai precisă a cromozomilor artificiali, ceea ce va accelera în mod direct ritmul în care se poate face cercetarea ADN. În timp, cu un sistem de livrare eficient, această tehnică ar putea duce la terapii celulare mai bune pentru boli precum cancerul.
Cromozomii artificiali sunt structuri realizate în laborator, concepute pentru a imita funcţia cromozomilor naturali, pachetele de ADN care se găsesc în celulele oamenilor şi ale altor organisme.
Aceste construcţii sintetice au potenţialul de a servi ca vehicule pentru livrarea de gene terapeutice sau ca instrumente pentru studierea biologiei cromozomilor.
Cu toate acestea, încercările anterioare de a crea aceşti HAC au fost afectate de o problemă majoră: segmentele de ADN utilizate pentru a le construi se leagă adesea în moduri imprevizibile, formând lanţuri lungi şi încurcate cu secvenţe rearanjate.
Echipa de la Penn Medicine a încercat să depăşească această provocare prin revizuirea completă a abordării de proiectare şi livrare a HAC.
„HAC pe care l-am construit este foarte atractiv pentru o eventuală implementare în aplicaţii biotehnologice, de exemplu, atunci când se doreşte o inginerie genetică la scară largă a celulelor", a declarat dr. Ben Black, care a condus echipa, într-un comunicat.
Un bonus este faptul că noii HAC există alături de cromozomii naturali, fără a fi nevoie să se modifice cromozomii naturali din celulă, notează cercetătorul.
Primii cromozomi artificiali au fost dezvoltaţi în urmă cu 25 de ani, iar tehnologia cromozomilor artificiali este deja foarte avansată pentru cromozomii mai mici şi mai simpli ai organismelor inferioare, cum ar fi bacteriile şi drojdia.
Cromozomii umani sunt o altă problemă, în mare parte din cauza dimensiunilor lor mai mari şi a centromerilor mai complecşi, regiunea centrală în care se unesc braţele cromozomilor în formă de X.
Cercetătorii au reuşit să obţină formarea unor mici cromozomi umani artificiali pornind de la bucăţi de ADN care se leagă singure, adăugate în celule, dar aceste bucăţi de ADN se multimerizează în organizaţii şi numere de copii imprevizibile - ceea ce complică utilizarea lor terapeutică sau ştiinţifică - iar cromozomii artificiali rezultaţi ajung uneori chiar să încorporeze bucăţi de cromozomi naturali din celulele gazdă, ceea ce face ca editarea lor să nu fie fiabilă.
Pentru a-şi testa ideea, oamenii de ştiinţă de la Penn au apelat la drojdie. Ei au folosit o tehnică numită clonare prin recombinare genetică asociată transformării (TAR) pentru a asambla o construcţie de ADN de 750 de kilobaze în celulele de drojdie, adică aproximativ 25 de ori mai mare decât construcţiile utilizate în studiile HAC anterioare.
Construcţia conţinea ADN atât din surse umane, cât şi bacteriene, precum şi secvenţe care să ajute la formarea centromerului.
Următoarea provocare a fost să livreze această încărcătură masivă în celulele umane.
Echipa a realizat acest lucru prin fuzionarea celulelor de drojdie modificate cu o linie celulară umană, un proces care fusese optimizat în studiile anterioare.
În mod remarcabil, această abordare prin fuziune s-a dovedit a fi mult mai eficientă decât metoda tradiţională de transfer direct al ADN-ului în celule.
Rezultatele au fost uimitoare, spun autorii. Nu numai că aceşti cromozomi modificaţi genetic s-au format cu succes, dar au făcut acest lucru cu o eficienţă mult mai mare în comparaţie cu metodele standard.
În plus, aceşti cromozomi de design au fost capabili să se reproducă şi să se segregheze în mod corespunzător în timpul diviziunii celulare, o cerinţă esenţială pentru stabilitatea şi funcţionalitatea lor pe termen lung.
Astfel, cercetătorii au arătat că metoda lor a fost mult mai eficientă în ceea ce priveşte formarea de cromozomi artificiali viabili în comparaţie cu metodele standard şi a produs HAC care se pot reproduce în timpul diviziunii celulare.
„În loc să încercăm să inhibăm multimerizarea, de exemplu, am ocolit pur şi simplu problema prin creşterea dimensiunii construcţiei de ADN de intrare, astfel încât aceasta să tindă în mod natural să rămână în forma previzibilă de o singură copie", a explicat dr. Black.
Dar cercetătorii nu s-au oprit aici.
Ei au conceput, de asemenea, o modalitate inteligentă de a vizualiza cromozomii artificiali în starea lor nativă, necompactată.
Prin lizarea uşoară a celulelor şi utilizarea unei tehnici speciale de centrifugare, au reuşit să izoleze HAC de restul ADN-ului celular. Acest lucru le-a permis să confirme că aceşti cromozomi sintetici şi-au păstrat statutul de copie unică şi topologia circulară, fără rearanjamente sau adăugiri nedorite.
Implicaţiile acestei descoperiri sunt de anvergură
Cromozomii artificiali au potenţialul de a servi drept platforme mai sigure şi mai eficiente pentru terapia genică, în comparaţie cu sistemele actuale de administrare bazate pe virusuri, care pot declanşa reacţii imune şi implică riscul inserţiei dăunătoare a ADN-ului viral în genomul gazdei.
Cromozomii artificiali oferă, de asemenea, avantajul de a putea transporta încărcături genetice mult mai mari, permiţând, potenţial, exprimarea unor întregi reţele de gene sau a unor maşini proteice complexe.
Dincolo de aplicaţiile medicale, cercetătorii consideră că abordarea lor ar putea fi valoroasă şi pentru biotehnologia agricolă, cum ar fi ingineria culturilor rezistente la dăunători sau cu randament ridicat.
Deşi mai sunt încă multe de făcut pentru a perfecţiona aceşti cromozomi artificiali şi pentru a dezvolta metode de livrare adecvate pentru utilizarea terapeutică, acest studiu reprezintă un salt semnificativ în ceea ce priveşte capacitatea actuală de a proiecta genomuri de design.
Oferind o modalitate mai eficientă şi mai controlată de a construi cromozomi artificiali, cercetătorii au deschis noi căi interesante pentru progresul biologiei sintetice şi pentru extinderea setului de instrumente de manipulare genetică.
Pe măsură ce oamenii de ştiinţă continuă să împingă limitele a ceea ce este posibil cu ajutorul ingineriei genetice, dezvoltarea cromozomilor artificiali umani stabili, cu o singură copie, marchează o etapă importantă.
Această descoperire îi aduce pe cercetători mai aproape de exploatarea întregului potenţial al terapiei genice, şi oferă, de asemenea, o nouă şi puternică platformă pentru cercetarea de bază în ceea ce priveşte structura şi funcţia cromozomilor.
În viitor, cromozomii de design ar putea deveni o parte standard a arsenalului de bioinginerie, permiţând oamenilor de ştiinţă să abordeze o gamă largă de provocări în domeniile medical şi agricol.
