گروهی از دانشمندان چینی موفق به توسعه فناوری نوینی شدهاند که امکان ویرایش قطعات بسیار بزرگ DNA و حتی کروموزومهای کامل را با دقتی بیسابقه و بدون بر جای گذاشتن هیچگونه اثر ژنتیکی یا اسکار فراهم میکند. این پیشرفت بزرگ علمی با تلفیقی از فناوری هوش مصنوعی و مهندسی پیشرفته پروتئین محقق شده و نخستین آزمایش عملی آن منجر به تولید نوعی برنج مقاوم به علفکش شده است. به گفته محققان، این فناوری پتانسیل آن را دارد که انقلابی در مهندسی ژنتیک ایجاد کند و مسیر جدیدی برای اصلاح ژنتیکی گیاهان و حیوانات در مقیاسی بیسابقه بگشاید.
به گزارش رسانه اخبار فناوری تک فاکس، برای دههها سیستم Cre-Lox یکی از ابزارهای اصلی دانشمندان در انجام ویرایشهای بزرگ ژنتیکی محسوب میشد. با این حال، استفاده از این سیستم با چالشهای قابلتوجهی همراه بود. نخست، واکنشهای این سیستم اغلب برگشتپذیر بودند، بهطوریکه میتوانستند اصلاحات ژنتیکی انجامشده را به حالت اولیه بازگردانند. دوم اینکه مهندسی و بهینهسازی آنزیم Cre جهت افزایش کارایی، فرآیندی پیچیده و زمانبر بود. و در نهایت، استفاده از این ابزار معمولاً یک جای زخم ژنتیکی یا توالی ناخواستهای در محل ویرایش بر جای میگذاشت که میتوانست عملکرد ژنوم را مختل کند یا اثرات جانبی ناخواسته ایجاد کند.
در واکنش به این چالشها، تیمی از پژوهشگران آکادمی علوم چین با معرفی یک رویکرد کاملاً جدید تحت عنوان «مهندسی کروموزوم قابل برنامهریزی» یا PCE موفق شدند بر تمامی این موانع فائق آیند. این سیستم پیشرفته، ترکیبی از طراحی مولکولی، الگوریتمهای یادگیری ماشین و تکنولوژیهای دقیق ویرایش ژن است که امکان انجام اصلاحات گسترده و هدفمند در ساختار ژنوم را فراهم میآورد. ویژگی منحصربهفرد این فناوری آن است که نهتنها دقت و کارایی بسیار بالایی دارد، بلکه از برجای گذاشتن اثرات ماندگار و ناخواسته در ساختار ژنتیکی نیز جلوگیری میکند.
محققان برای کاهش برگشتپذیری واکنشها، جایگاههای Lox را بهصورت نامتقارن طراحی کردند. این اقدام منجر به کاهش بیش از دهبرابری احتمال بازگشت ویرایشهای انجامشده شد. علاوه بر این، با بهرهگیری از مدل هوش مصنوعی پیشرفتهای با نام AiCErec، موفق شدند آنزیم Cre را به گونهای مهندسی کنند که بازده عملکرد آن تا ۳.۵ برابر افزایش یابد. در گامی مهمتر، تیم پژوهشی با استفاده از پرایم ادیتورها، روشی نوآورانه به نام Re-pegRNA توسعه دادند که قادر است جای زخم ژنتیکی باقیمانده پس از ویرایش را بهطور کامل پاک کرده و توالی اصلی DNA را در آن محل بازسازی کند. این سه نوآوری بهصورت همزمان، PCE را به ابزاری بیرقیب در حوزه ویرایش ژنتیکی تبدیل کرده است.
قابلیتهای گسترده فناوری PCE به دانشمندان این امکان را میدهد که دست به اصلاحات ژنتیکی در ابعاد بسیار بزرگ بزنند؛ اصلاحاتی که تا پیش از این یا بسیار دشوار بودند یا عملاً غیرممکن به نظر میرسیدند. برای نمونه، با استفاده از این فناوری میتوان قطعات DNA به بزرگی چندین مگاباز (میلیونها جفت باز) را بهطور کامل حذف یا وارونه کرد، توالیهای حجیم ژنتیکی را بهطور کامل جایگزین نمود یا بخشهای DNA تا اندازه ۱۸.۸ کیلوباز را بهصورت هدفمند به ژنوم موجودات زنده اضافه کرد. حتی امکان جابجایی کامل یک کروموزوم نیز با استفاده از این تکنولوژی فراهم شده است؛ قابلیتی که در آینده میتواند نقش کلیدی در درمان بیماریهای پیچیده ژنتیکی ایفا کند.
برای نشاندادن توان عملیاتی این فناوری، تیم تحقیقاتی آزمایشی را روی گیاه برنج انجام دادند. در این آزمایش، یک قطعه ۳۱۵ کیلوبازی از DNA برنج بهطور کامل و دقیق وارونه شد. نتیجه این تغییر ژنتیکی، تولید گونهای از برنج بود که به علفکشها مقاومت نشان میداد؛ عملکردی که با روشهای ویرایش سنتی عملاً غیرقابل دستیابی بود. این موفقیت چشمگیر نهتنها تأییدی بر کارآمدی PCE است، بلکه نشان میدهد که این فناوری میتواند مسیرهای جدیدی را برای ارتقای محصولات کشاورزی، درمان بیماریهای ژنتیکی و توسعه کاربردهای زیستشناسی مصنوعی بگشاید.
بدون تردید، توسعه فناوری PCE را میتوان یک نقطه عطف در تاریخ مهندسی ژنتیک دانست. این دستاورد نوین، نهتنها محدودیتهای موجود در فناوریهای ویرایش ژن را برطرف کرده، بلکه افقهایی تازه در اصلاح ساختار ژنتیکی موجودات زنده پیشروی محققان قرار داده است. با ادامه تحقیقات در این زمینه، میتوان انتظار داشت که در آینده نزدیک شاهد پیشرفتهایی چشمگیر در حوزههایی نظیر بهبود امنیت غذایی، مقابله با بیماریهای لاعلاج و ساخت ارگانیسمهای مصنوعی با کاربردهای پزشکی و صنعتی باشیم.