ساخت ژنوم مصنوعی که خود را تکثیر می‌کند

زیست‌شناسی مصنوعی نه‌تنها فرایندهای حیات را مشاهده و توصیف می‌کند؛ بلکه از آن‌ها نیز تقلید می‌کند. یکی از ویژگی‌های مهم حیات توانایی تکثیر محسوب می‌شود و این به‌معنای حفظ سیستم شیمیایی است. دانشمندان مؤسسه‌ی بیوشیمیایی ماکس پلانک آلمان سیستمی ساخته‌اند که می‌تواند بخش‌هایی از DNA و واحدهای ساختمانی پروتئین خود را بازتولید کند.

پژوهشگران حوزه‌ی زیست‌شناسی مصنوعی فرایندهای «پایین به بالا» را بررسی می‌کنند که به‌معنای تولید سیستم‌های تقلیدکننده‌ی زندگی با استفاده از واحدهای ساختمانی بی‌جان است. یکی از ویژگی‌های اساسی‌ تمامی موجودات زنده قدرت حفظ و تکثیر خود به‌عنوان وجودی متمایز است. با‌این‌حال، رویکرد مصنوعی پایین به بالا برای ایجاد سیستمی که بتواند خود را تکثیر کند، چالش تجربی بزرگی است. دانشمندان نخستین‌بار بر این مانع غلبه کرده و چنین سیستمی ساخته‌اند.

هانس ماشلر، رئیس گروه پژوهشی سیستم‌های بیومیمتیک در مؤسسه‌ی ماکس پلانک، همراه‌با دیگر اعضای گروهش روی تقلید از تکثیر ژنوم‌ها و سنتز پروتئین‌ها با رویکردی پایین به بالا کار می‌کنند. هر دو این فرایندها برای حفظ و تولیدمثل سیستم‌های بیولوژیکی اساسی هستند. این پژوهشگران موفق شده‌اند سیستمی درون‌آزمایشگاهی بسازند که در آن، هر دو فرایند می‌تواند هم‌زمان انجام شود. ماشلر توضیح می‌دهد:

سیستم ما می‌تواند بخش درخورتوجهی از اجزای مولکولی خود را بازتولید کند.

پژوهشگران برای آغاز فرایند مذکور به دستور ساخت و دستگاه‌های مولکولی و مواد مغذی مختلفی نیاز داشتند. فرایند ترجمه در بیولوژی به‌معنای این است که دستور ساخت قطعه DNA حاوی اطلاعات لازم برای تولید پروتئین‌ها است. پروتئین‌ها معمولا به‌عنوان ماشین‌های مولکولی شناخته می‌شوند؛ زیرا اغلب به‌عنوان کاتالیزور عمل و واکنش‌های بیولوژیکی را در موجودات زنده تسریع می‌کنند. واحدهای ساختمانی اصلی DNA نوکلئوتیدها هستند و پروتئین‌ها نیز از اسیدهای آمینه ساخته می‌شوند.

باکتری اشریشیا کلی

فاکتورهای ترجمه‌ی ژنوم مصنوعی از باکتری اشریشیای کلی می‌آیند. این پروتئین‌ها برای ترجمه‌ی دستورهای موجود در توالی DNA به پروتئین مهم است؛ بنابراین، برای سیستم‌های خودتکثیرکننده نیز ضروری هستند.

پژوهشگران سیستم بیان درون‌آزمایشگاهی را ایجاد کردند که پروتئین‌ها را براساس الگوی DNA سنتز می‌کند. سیستم بیان درون‌آزمایشگاهی اکنون می‌تواند به‌طور بسیار کارآمدی پروتئین‌های معروف به DNA پلیمراز را بسازد و این DNA پلیمرازها با استفاده از نوکلئوتیدها DNA را تکثیر می‌کنند. کای لیبیکر، نویسنده‌ی نخست مقاله، توضیح می‌دهد:

برخلاف مطالعات گذشته، سیستم ما می‌تواند قطعات نسبتا طولانی از DNA را بخواند و نسخه‌برداری کند.

دانشمندان با استفاده از ۱۱ قطعه‌ی حلقه‌مانند، از DNA ژنوم‌های مصنوعی را مونتاژ کردند. این ساختار چندبخشی به آن‌ها اجازه داد قطعات خاصی از DNA را به‌آسانی درج یا حذف کنند. بزرگ‌ترین ژنوم چندبخشی ساخته‌شده در این مطالعه شامل بیش از ۱۱۶ هزار جفت باز بود که به طول ژنوم سلول‌های بسیار ساده می‌رسد.

بازتولید پروتئین‌ها

ژنوم مصنوعی علاوه‌بر رمزگذاری پلیمرازها که برای تکثیر DNA مهم هستند، حاوی الگوهایی برای ساخت پروتئین‌های دیگری مانند ۳۰ فاکتور ترجمه است که از باکتری اشریشیای کلی نشئت گرفته‌اند. عوامل ترجمه برای ترجمه‌ی الگوی DNA به پروتئین‌های مرتبط مهم هستند؛ بنابراین، برای سیستم‌های خودتکثیرکننده ضروی به‌شمار می‌آیند که از فرایندهای بیوشیمیایی تقلید می‌کنند.

پژوهشگران برای نشان‌دادن این موضوع که سیستم بیان درون‌آزمایشگاهی آن‌ها نه‌تنها می‌تواند DNA را تکثیر کند؛ بلکه می‌تواند فاکتورهای ترجمه را نیز تولید کند، از طیف‌سنجی جرمی استفاده کردند. آن‌ها به‌کمک این روش مقدار پروتئین تولیدشده‌ی سیستم را تعیین کردند. در کمال شگفتی، برخی از فاکتورهای ترجمه حتی پس از واکنش، در مقادیر بیشتری از آن چیزی حضور داشتند که قبلا افزوده شده بود.

به‌گفته‌ی پژوهشگران، این موفقیت گامی مهم به‌سوی ایجاد سیستمی خودتکثیرکننده است که از فرایندهای بیولوژیکی تقلید می‌کند. دانشمندان قصد دارند در آینده، ژنوم مصنوعی را با افزودن بخش‌های دیگری از DNA گسترش دهند. آن‌ها می‌خواهند با همکاری همکارانی از شبکه‌ی پژوهشی MaxSynBio، سیستم پوشش‌داری تولید کنند که بتواند با افزودن مواد مغذی و دفع مواد زائد زنده بماند. چنین سلولی کاربردهای مختلفی خواهد داشت؛ مثلا می‌تواند در بیوتکنولوژی به‌عنوان ماشینی برای تولید اختصاصی مواد طبیعی با به‌عنوان پلتفرمی برای ساخت سیستم‌های شبه‌زنده پیچیده‌تر استفاده شود.

نتایج این مطالعه در مجله Nature communicatins منتشر شده است.

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید