ویرایش دقیق کروموزوم‌ها در مقیاس بزرگ ممکن شد

جهان صنعت نیوز، پژوهشگران چینی موفق به توسعه دو فناوری نوین و پیشرفته در حوزه مهندسی ژنوم شدند که امکان ویرایش دقیق و بدون نقص کروموزوم‌ها در مقیاس‌های بزرگ را فراهم می‌کند. این فناوری‌ها که به‌طور کلی با عنوان سامانه‌های مهندسی برنامه‌پذیر کروموزوم (PCE) شناخته می‌شوند توسط تیمی به رهبری گائو کایشیا از مؤسسه ژنتیک و زیست‌شناسی تکوینی آکادمی علوم چین طراحی و توسعه یافته‌اند.

به گزارش scitechdaily این دستاورد که نتایج آن چهارم اوت در نشریه علمی Cell منتشر شده توانسته انواع گوناگونی از اصلاحات دقیق DNA را در مقیاسی از چند هزار تا چند میلیون جفت‌باز به‌ویژه در موجودات عالی مانند گیاهان ممکن سازد.

عبور از محدودیت‌های تاریخی سیستم Cre-Lox

یکی از فناوری‌های کلیدی در مهندسی ژنوم سامانه‌ی Cre-Lox است که بر پایه‌ی نوترکیبی اختصاصی در جایگاه‌های خاص DNA عمل می‌کند. اما این فناوری در کاربرد‌های گسترده‌تر با سه مانع اساسی رو‌به‌رو بود:

واکنش‌های نوترکیبی برگشت‌پذیر به‌علت تقارن ذاتی جایگاه‌های Lox که باعث برگشت تغییرات مطلوب می‌شد.
ساختار چهارواحدی (تترامریک) آنزیم Cre که بهینه‌سازی عملکرد آن را دشوار می‌کرد.
باقی‌ماندن جایگاه‌های Lox پس از نوترکیبی که دقت اصلاحات ژنتیکی را کاهش می‌داد.

پژوهشگران با طراحی روش‌های نوآورانه توانستند هر سه چالش را پشت‌سر بگذارند. ابتدا با استفاده از یک پلتفرم پرتوان برای اصلاح جایگاه‌های نوترکیبی نسخه‌هایی نامتقارن از Lox طراحی کردند که فعالیت برگشت‌پذیر را بیش از ۱۰ برابر کاهش می‌دهد بدون آنکه کارایی اصلاح رو به جلو افت کند.

به‌کارگیری هوش مصنوعی در مهندسی پروتئین

گام بعدی در این تحقیق استفاده از سامانه هوشمند AiCE (محدودیت‌های مبتنی بر هوش مصنوعی برای مهندسی پروتئین) بود. این مدل ترکیبی از الگوریتم‌های تاشدگی معکوس پروتئین داده‌های ساختاری و تکاملی را برای طراحی هدفمند به کار می‌گیرد. با کمک این سامانه روش جدیدی با عنوان AiCErec توسعه یافت که امکان مهندسی ناحیه‌های اتصال آنزیم Cre را فراهم کرد. نتیجه این مهندسی تولید نسخه‌ای از Cre با کارایی ۳.۵ برابر بیشتر از نمونه طبیعی بود.

ویرایش بدون‌جای‌زخم با Re-pegRNA

در گام نهایی تیم پژوهشی روش نوینی برای حذف کامل آثار ویرایش‌های قبلی و بازگرداندن توالی DNA به حالت اولیه ارائه داد. با بهره‌گیری از ویرایشگر‌های پرایم و روش جدیدی به‌نام Re-pegRNA توانستند جایگاه‌های باقی‌مانده Lox را بدون برجا گذاشتن اثری از تغییرات اصلاح کنند.

از برنج مقاوم به علف‌کش تا تغییرات عظیم کروموزومی

ادغام این سه نوآوری منجر به خلق دو پلتفرم جدید PCE و RePCE شد که قابلیت برنامه‌ریزی دقیق محل و جهت درج یا حذف توالی‌های DNA را از سطح چند کیلوباز تا چند مگاباز در سلول‌های گیاهی و جانوری فراهم می‌کنند.

از جمله توانمندی‌های این فناوری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

درج هدفمند قطعات DNA تا ۱۸.۸ کیلوباز.
جایگزینی کامل توالی‌های ۵ کیلوبازی.
وارونگی‌های کروموزومی در مقیاس ۱۲ مگاباز.
حذف‌های کروموزومی در مقیاس ۴ مگاباز.
انتقال کل کروموزوم‌ها.

در یک نمونه عملی پژوهشگران با استفاده از این روش موفق شدند نوعی برنج مقاوم به علف‌کش تولید کنند که دارای وارونگی دقیق کروموزومی به طول ۳۱۵ کیلوباز بود؛ موفقیتی که افق‌های تازه‌ای را برای مهندسی ژنتیکی و اصلاح محصولات کشاورزی می‌گشاید.

منبع: برنا

دانش و فناوری