Κινέζοι επιστήμονες τροποποιούν ολόκληρα χρωμοσώματα με απόλυτη ακρίβεια

Μια επιστημονική πρόοδος που υπόσχεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζουμε τη γενετική μηχανική ανακοινώθηκε από ερευνητές στην Κίνα. Ομάδα υπό την καθοδήγηση της καθηγήτριας GAO Caixia από το Institute of Genetics and Developmental Biology της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών κατάφερε να αναπτύξει δύο νέες τεχνολογίες γονιδιακής επεξεργασίας που επιτρέπουν την αναδιάρθρωση τεράστιων τμημάτων DNA με αξιοσημείωτη ακρίβεια και –το πιο εντυπωσιακό– χωρίς να αφήνουν κανένα αποτύπωμα.

Οι νέες αυτές πλατφόρμες, οι οποίες φέρουν τη συλλογική ονομασία Programmable Chromosome Engineering (PCE), παρουσιάστηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Cell στις 4 Αυγούστου και αποτελούν σημαντικό βήμα προόδου στην επιτόπια χρωμοσωμική τροποποίηση σε φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς.

Η ομάδα των ερευνητών εστίασε αρχικά στον εκσυγχρονισμό του υπάρχοντος συστήματος Cre-Lox, μιας μεθόδου που χρησιμοποιείται ευρέως στη γενετική μηχανική για την αναδιάταξη DNA. Παρά τη δύναμή του, το σύστημα Cre-Lox μέχρι τώρα περιοριζόταν από τρεις βασικούς παράγοντες: τις αναστρέψιμες αντιδράσεις εξαιτίας της συμμετρίας των Lox περιοχών, τη δομική πολυπλοκότητα της πρωτεΐνης Cre που καθιστά δύσκολη τη βελτιστοποίησή της, και τα υπολείμματα Lox που παρέμεναν στο DNA μετά την τροποποίηση, επηρεάζοντας την ακρίβεια της διαδικασίας.

Για να αντιμετωπίσουν τα παραπάνω εμπόδια, οι ερευνητές προχώρησαν σε τρεις καινοτομίες. Πρώτον, δημιούργησαν μια νέα σειρά ασύμμετρων Lox περιοχών, μειώνοντας δραστικά την πιθανότητα ανεπιθύμητης αναστροφής του DNA μετά την επεξεργασία. Με απλά λόγια, βελτίωσαν το “κουμπί” που ξεκινά ή σταματά τις γενετικές αλλαγές, έτσι ώστε να λειτουργεί μόνο προς την επιθυμητή κατεύθυνση.

Δεύτερον, αξιοποίησαν ένα καινοτόμο εργαλείο τεχνητής νοημοσύνης με την ονομασία AiCE (AI-informed Constraints for protein Engineering). Μέσω αυτού, ανέπτυξαν την παραλλαγή AiCErec, η οποία επιτρέπει την ακριβή τροποποίηση της δομής της πρωτεΐνης Cre, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητά της κατά 3,5 φορές σε σύγκριση με τη φυσική της μορφή.

Τέλος, ανέπτυξαν μια τεχνική επεξεργασίας χωρίς “ουλές” στο DNA – δηλαδή χωρίς να αφήνονται υπολείμματα μετά την αλλαγή. Με τη βοήθεια των prime editors, μιας προηγμένης μορφής εργαλείων γενετικής τροποποίησης, δημιούργησαν την τεχνολογία Re-pegRNA, που “ξαναγράφει” τις περιοχές όπου είχαν παραμείνει Lox σημάδια, αποκαθιστώντας το DNA στην αρχική του μορφή.

Ο συνδυασμός αυτών των τριών τεχνολογικών εξελίξεων οδήγησε στη δημιουργία δύο νέων πλατφορμών – των PCE και RePCE. Αυτές επιτρέπουν πλέον την ακριβή εισαγωγή, αντιστροφή ή αφαίρεση μεγάλων τμημάτων του DNA, με εφαρμογές που κυμαίνονται από την εισαγωγή αλληλουχιών 18,8 χιλιάδων βάσεων έως τη διαγραφή χρωμοσωμικών τμημάτων μήκους 4 εκατομμυρίων βάσεων και αναδιατάξεις ολόκληρων χρωμοσωμάτων.

Για να αποδείξουν την αποτελεσματικότητα της τεχνολογίας τους, οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα νέο είδος ρυζιού με ανθεκτικότητα σε ζιζανιοκτόνα. Αυτό επιτεύχθηκε μέσω μιας πλήρους αναστροφής 315.000 βάσεων στο γονιδίωμα του φυτού – κάτι που μέχρι σήμερα θεωρούνταν σχεδόν αδύνατο.

Η εμβληματική αυτή εφαρμογή δεν αποτελεί απλώς επίδειξη ισχύος της τεχνολογίας, αλλά και απόδειξη ότι το μέλλον της γεωργίας και της γενετικής βελτίωσης καλλιεργειών μπορεί να αλλάξει ριζικά. Το γεγονός ότι οι επιστήμονες μπορούν πλέον να «γράφουν» και να «σβήνουν» ολόκληρες ενότητες του DNA με απόλυτη ακρίβεια και χωρίς παρενέργειες ανοίγει δρόμους όχι μόνο στη γεωργία αλλά και στη βιοϊατρική, στις θεραπείες γονιδιακών ασθενειών και στη συνθετική βιολογία.

[via]