Οι επιστήμονες του Πεκίνου βρήκαν τον τρόπο να ξεπεράσουν τις ΗΠΑ στη γονιδιακή επεξεργασία, μετά από τρία χρόνια αδιεξόδου. Η λύση ήρθε από την αρχαία κινεζική τέχνη της ξυλουργικής, όπου η κοπή και η σύνδεση του DNA γίνεται με νέα, πρωτόγνωρη αποτελεσματικότητα.
Η έμπνευση προήλθε από την παραδοσιακή κινεζική τεχνική «sunmao», που χρησιμοποιείται στην ξυλουργική. Σε αυτήν, δεν χρειάζονται ούτε καρφιά, ούτε κόλλα. Αντίθετα, ένα προεξέχον «πελέκι» (tenon) από ένα κομμάτι ταιριάζει άψογα σε μια αντίστοιχη «υποδοχή» (mortise) σε ένα άλλο, δημιουργώντας μια στιβαρή, αλληλοσυνδεόμενη δομή. Η τεχνική αυτή χρονολογείται από τα αρχαία χρόνια, με πρώιμα παραδείγματα να εντοπίζονται στον πολιτισμό Hemudu της επαρχίας Zhejiang, πριν από περίπου 7.000 χρόνια.
Η νέα στρατηγική γονιδιακής επεξεργασίας επιτυγχάνει ακριβή ένθεση και αντικατάσταση με αποδοτικότητα έως και 59,47% στο ρύζι, ξεπερνώντας κατά πολύ τα υπάρχοντα εργαλεία. Σε συγκεκριμένα γονιδιωματικά σημεία (genomic loci), η αποδοτικότητά της είναι 10 φορές υψηλότερη από τα παραδοσιακά συστήματα Cas9.
Το CRISPR-Cas9, το πιο διαδεδομένο εργαλείο μέχρι σήμερα, αναπτύχθηκε από ερευνητές του Harvard και του MIT, με τα βασικά του διπλώματα ευρεσιτεχνίας να ισχύουν έως το 2038. Όπως δήλωσε ο Zhang Huawei, ερευνητής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Αγροτικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Πεκίνου, «Τα εργαλεία γονιδιακής επεξεργασίας είναι σαν τις λιθογραφικές μηχανές· αν ‘πνιγούν’, τίποτα δεν προχωρά». Ο ίδιος τόνισε την ανάγκη για ανεξάρτητα αναπτυγμένα εργαλεία γονιδιακής επεξεργασίας, όπως ακριβώς χρειαζόμαστε τις δικές μας λιθογραφικές μηχανές.
Ο Zhang Huawei, το 2019, ξεκίνησε ένα εργαστήριο με στόχο τη δημιουργία ενός πλαισίου για ακριβή γονιδιακή επεξεργασία, με ανεξάρτητα δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας για την Κίνα.
Στη βελτίωση των καλλιεργειών, η ακριβής και «χωρίς ουλές» εισαγωγή ή αντικατάσταση τμημάτων DNA αποτελεί κρίσιμη τεχνολογία για την υπέρβαση εμποδίων στη βελτίωση ποικιλιών και την ενίσχυση της εθνικής επισιτιστικής ασφάλειας. Μετά από τρία χρόνια πειραμάτων χωρίς αποτέλεσμα, η δομή του mortise-and-tenon άνοιξε νέους δρόμους.
Η κινεζική αρχιτεκτονική, με τις συνδέσεις mortise-and-tenon, έχει αναγνωριστεί από την UNESCO ως άυλη πολιτιστική κληρονομιά. Ο Zhang συνειδητοποίησε ότι η αρχή του mortise-and-tenon έμοιαζε με το πλαίσιο γονιδιακής επεξεργασίας που αναζητούσαν: ακριβής ενσωμάτωση μέσω δημιουργίας συμπληρωματικών «πελεκίων» και «υποδοχών» σε μοριακό επίπεδο.
Η ομάδα δημιούργησε μια ειδική δομή διάσπασης διπλής έλικας, σχηματίζοντας μια «υποδοχή» σε στοχευμένα σημεία του γονιδιώματος του ρυζιού, με καθορισμένο άκρο. Στη συνέχεια, συνέθεσαν ένα δίκλωνο μόριο DNA-δότη, που λειτούργησε ως «πελέκι», με άκρα συμπληρωματικά προς την «υποδοχή».
Μέσω ακριβούς σύζευξης και σύνδεσης, το «σύστημα σύνδεσης mortise-tenon» (MT system) επιτρέπει την κατευθυνόμενη εισαγωγή και αντικατάσταση τμημάτων DNA. Σε ένα μόνο στοχευμένο σημείο, η αποδοτικότητα της κατευθυνόμενης εισαγωγής του MT system έφτασε το 46,55% και 48,12%, χωρίς αντίστροφη εισαγωγή. Αντίθετα, το παραδοσιακό σύστημα Cas9 με τυπικούς δότες επέτυχε μόλις 1% αποδοτικότητα. Στα βέλτιστα σημεία, η αποδοτικότητα του MT system έφτασε το 83,54%, με ποσοστό ακριβούς εισαγωγής 59,47% – πάνω από 10 φορές μεγαλύτερο από το σύστημα Cas9.
Εκτός από την υψηλότερη αποδοτικότητα, το MT system επιτρέπει και «scarless editing», δηλαδή επεξεργασία χωρίς «ουλές». Προηγούμενα συστήματα χρησιμοποιούσαν ανασυνδυαστές (recombinases), οι οποίοι άφηναν μικρές αναγνωριστικές αλληλουχίες στα σημεία εισαγωγής – σαν χειρουργικές ουλές. «Το σύστημά μας mortise-tenon δεν απαιτεί τέτοιες αλληλουχίες· μετά την επεξεργασία, δεν αφήνει επιπλέον βάσεις», πρόσθεσε ο Zhang.
