پیشرفت خیره‌کننده دانشمندان چینی: ویرایش بی‌نقص کروموزوم‌ها با هوش مصنوعی

غلبه بر محدودیت‌های ویرایش ژنتیکی

برای دهه‌ها، سیستم Cre-Lox ابزار اصلی دانشمندان برای دستکاری‌های بزرگ ژنتیکی محسوب می‌شد. با این حال، این سیستم با سه محدودیت اساسی مواجه بود که کارایی آن را کاهش می‌داد:

• واکنش‌های آن اغلب برگشت‌پذیر بودند و ویرایش‌های انجام‌شده را خنثی می‌کردند.
• مهندسی و بهینه‌سازی آنزیم Cre برای افزایش کارایی، بسیار دشوار بود.
• این سیستم پس از انجام ویرایش، یک «جای زخم» یا توالی ژنتیکی ناخواسته را در ژنوم باقی می‌گذاشت.

اکنون، تیمی از محققان آکادمی علوم چین با معرفی سیستم کاملاً جدیدی به نام «مهندسی کروموزوم قابل برنامه‌ریزی» (PCE)، بر تمامی این محدودیت‌ها غلبه کرده‌اند.

نوآوری‌های کلیدی در سیستم PCE

دانشمندان با به‌کارگیری رویکردهای نوآورانه، کارایی و دقت ویرایش ژنتیکی را به طرز چشمگیری افزایش داده‌اند:

• کاهش برگشت‌پذیری: با طراحی جایگاه‌های Lox به صورت نامتقارن، واکنش‌های برگشتی بیش از ۱۰ برابر کاهش یافته‌اند.
• افزایش کارایی آنزیم: با استفاده از مدل هوش مصنوعی AiCErec، آنزیم Cre به گونه‌ای مهندسی شده که کارایی آن ۳.۵ برابر افزایش یابد.
• حذف جای زخم ژنتیکی: با بهره‌گیری از فناوری پیشرفته پرایم ادیتورها، روشی به نام Re-pegRNA ابداع شده است که پس از اتمام کار، جای زخم ژنتیکی باقی‌مانده را به‌طور کامل پاک و آن را با توالی اصلی DNA جایگزین می‌کند.

کاربردهای بی‌سابقه فناوری جدید

این فناوری جدید، قدرت بی‌سابقه‌ای را برای انجام دستکاری‌های عظیم و دقیق در ژنوم گیاهان و حیوانات فراهم می‌آورد. از جمله قابلیت‌های آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• حذف یا وارونه‌کردن قطعات DNA به بزرگی چندین مگاباز (میلیون‌ها جفت باز).
• جایگزینی کامل توالی‌های بزرگ DNA.
• ادغام هدفمند قطعات DNA تا اندازه ۱۸.۸ کیلوباز.
• جابجایی کامل کروموزوم‌ها.

برای نمایش قدرت عملی این فناوری، محققان با استفاده از آن، قطعه‌ای ۳۱۵ کیلوبازی از DNA برنج را به‌طور کامل وارونه کردند. این تغییر دقیق ژنتیکی، منجر به تولید برنجی مقاوم به علف‌کش شد؛ دستاوردی که پیش از این با روش‌های قدیمی تقریباً غیرممکن بود.

آینده مهندسی ژنتیک

این پژوهش می‌تواند پارادایم کاملاً جدیدی را در مهندسی ژنتیک معرفی کند و باعث پیشرفت‌های عظیمی در حوزه‌هایی مانند بهبود محصولات کشاورزی، درمان بیماری‌های ژنتیکی و زیست‌شناسی مصنوعی شود. یافته‌های این پژوهش در ژورنال معتبر Cell منتشر شده است.