توسعه فناوری‌های نوین ویرایش ژنوم توسط پژوهشگران چینی

سامانه‌های مهندسی برنامه‌پذیر کروموزوم (PCE)

این فناوری‌های نوین که به‌طور کلی با عنوان سامانه‌های مهندسی برنامه‌پذیر کروموزوم (PCE) شناخته می‌شوند، نتایج تحقیقاتی هستند که در تاریخ ۴ اوت در نشریه علمی Cell منتشر شده است. این سامانه‌ها قادرند انواع گوناگونی از اصلاحات دقیق DNA را در مقیاسی از چند هزار تا چند میلیون جفت‌باز انجام دهند.

غلبه بر محدودیت‌های سیستم Cre-Lox

یکی از فناوری‌های کلیدی در مهندسی ژنوم، سامانه Cre-Lox است که بر پایه نوترکیبی اختصاصی در جایگاه‌های خاص DNA عمل می‌کند. با این حال، این فناوری در کاربردهای گسترده‌تر با سه مانع اساسی روبرو بود:

• واکنش‌های نوترکیبی برگشت‌پذیر: به دلیل تقارن ذاتی جایگاه‌های Lox، تغییرات مطلوب می‌توانستند به حالت اولیه بازگردند.
• ساختار چهارواحدی آنزیم Cre: این ساختار بهینه‌سازی عملکرد آنزیم را دشوار می‌کرد.
• باقی‌ماندن جایگاه‌های Lox: پس از نوترکیبی، این جایگاه‌ها باقی می‌ماندند که دقت اصلاحات ژنتیکی را کاهش می‌داد.

پژوهشگران چینی با طراحی روش‌های نوآورانه، هر سه چالش را پشت سر گذاشتند. آن‌ها 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.

نقش 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 بدون جای زخم 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 به نام Re-pegRNA، آن‌ها توانستند جایگاه‌های باقی‌مانده Lox را بدون برجا گذاشتن اثری از تغییرات اصلاح کنند.

کاربردهای گسترده: 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. توانمندی‌های این فناوری شامل موارد زیر است:

• 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. این موفقیت، افق‌های تازه‌ای را برای مهندسی ژنتیکی و اصلاح محصولات کشاورزی می‌گشاید و پتانسیل عظیمی برای پیشرفت‌های آینده در زیست‌فناوری فراهم می‌آورد.