پژوهشگران نوكلئوتيدهاي مصنوعي جديدي را به ساختار طبيعي DNA اضافه كردند

اگر بخواهيم كل زيست‌شناسي را به يك معادله‌ي ساده تبديل كنيم، به اين صورت خواهد بود كه: DNA ملكول RNA را مي‌سازد، RNA پروتئين‌ها را و پروتئين‌ها هر چيز زنده‌اي كه شما مي‌توانيد بو كنيد، لمس كنيد و بچشيد را مي‌سازند. اين اصل مركزي زيست‌شناسي كه روي رشته‌هاي متشكل از بازهاي آلي سيتوزين، گوانين، تيمين و آدنين بنا مي‌شود، از زماني‌كه درحدود ۶۵ سال پيش، دانشمندان ساختار مارپيچ مضاعف DNA را كشف كردند، رواج پيدا كرد. اكنون اين اصل در حال تغيير است چون دانشمندان از تعداد كدهايي كه طبيعت فراهم مي‌آورد، فراتر رفته‌اند.

پژوهشگران به‌تازگي آخرين شاهكار مهندسي DNA مصنوعي را نمايان كردند: يك سيستم ستزي هشت حرفي به‌نام DNAي هاچيموجي (hachimoji DNA). كلمه‌ي هاچي در زبان ژاپني به‌معناي هشت و موجي به‌معناي حرف است. اين سيستم از چهار نوكلئوتيد طبيعي و چهار نوكلئوتيد مصنوعي ساخته شده است كه همه به‌صورت يكپارچه در ساختار مارپيچي DNA قرار گرفته و شكل طبيعي آن را حفظ مي‌كنند. علاوه‌بر‌اين، جفت شدن اين حروف جديد نيز مثل حروف طبيعي DNA قابل پيش‌بيني است و مي‌توانند درست مانند DNAي طبيعي تكامل پيدا كنند. پيش از اين، دانشمندان حروف الفباي ژنتيكي را به ۶ مورد رسانده بودند اما آخرين ويرايش، مقدار اطلاعاتي را كه در DNAي طبيعي قابل كدگذاري است، دوبرابر مي‌كند و مي‌تواند محدوده‌هاي ذخيره‌ي اطلاعات ملكولي در DNA را مورد آزمايش قرار دهد.

اين امر مي‌تواند تاثير فوري روي صنعت درحال ظهور «ذخيره‌سازي داده‌هاي DNA» و نيز جستجوي ناسا در خارج از منظومه‌ي شمسي داشته باشد. اين نتيجه همچنين نشان‌دهنده‌ي يك گام بزرگ به سمت شناسايي اشكال متفاوت حيات است؛ موجوداتي كه زبان ژنتيكي آن‌ها از زبان ژنتيكي موجوداتي كه روي زمين تكامل يافته‌اند، متفاوت است. استيون باربر پژوهشگر مطالعه مي‌گويد:

حيات براي انجام چيزي كه خودش مي‌خواهد و نه چيزي كه شما مي‌خواهيد، بهينه شده است.

پژوهشگران آخرين شاهكار مهندسي DNA مصنوعي را به نمايش گذاشتند: يك سيستم سنتزي هشت حرفي كه DNAي هاچيموجي ناميده مي‌شود

استيون باربر براي دهه‌ها براي درك اينكه آيا چهار حرف شيميايي طي يك تصادف ساده تبديل به زبان زندگي شده‌اند يا نه، در تلاش براي ايجاد سيستم‌هاي دارويني مصنوعي بوده است. فلويد رومسبرگ زيست‌شناس مؤسسه‌ي اسكريپس در كاليفرنيا كه در اين پژوهش مشاركتي نداشته، اما جداگانه يك زبان ژنتيك مصنوعي را ايجاد كرده است، مي‌گويد:

اين مقاله براي نخستين بار به اين پرسش، پاسخي قطعي مي‌دهد. براي مدت‌زمان طولاني، ما بر اين عقيده بوديم كه حيات از چهار باز آدنين، تيمين، سيتوزين و گوانين تكامل يافته است، نه به‌خاطر اينكه آن‌ها دقيقا همان مواد خام درست بودند بلكه به‌خاطر اينكه آن‌ها به‌سادگي در دسترس بودند. چهار حرف استيو (S، P، Z و B) حداقل از انديشه متخصصين پايداري معادل چهار حرف طبيعي هستند.

اكنون، سؤال اين است كه آيا افزايش اين كدهاي تصادفي موجب بهتر شدن DNA مي‌شود. ازلحاظ تئوري، داشتن كدهاي بيشتر به‌معناي امكان ايجاد ملكول‌هاي جديدي است كه در طبيعت وجود ندارند و هركدام از آن‌ها مي‌توانند در توليد مواد جديد، تشخيص بيماري يا توسعه‌ي داروهاي جديد مفيد باشند. يك الفباي چهار حرفي، به شما ۶۴ كدون ممكن مي‌دهد كه مي‌تواند ۲۰ اسيدآمينه توليد كند (واحدهاي ساختماني پروتئين‌ها). با ۶ حرف الفبا تعداد كدون‌ها به ۲۵۶ مي‌رسد و با هشت حرف، ۴۰۹۶ كدون خواهيم داشت. اما اين عمدتا بي‌مفهوم است مگر اينكه كسي بتواند يك دستگاه سلولي ايجاد كند كه بتواند هاچيموجي را بخواند و براساس آن پروتئين‌هاي سنتزي با عملكردهاي جديدي بسازد.

فكر كنيد اين ۲۰ اسيدآمينه آجرهايي براي ساخت يك ساختمان هستند. آن‌ها براي ساخت خانه‌هاي دوطبقه خوب هستند اما اگر بخواهيد آسمان‌خراش بسازيد چطور؟ اين، همان جايي است كه متخصصان بيوشيمي مانند اندرو الينگتون وارد مي‌شوند. در آزمايشگاه او در دانشگاه تگزاس، آنزيم‌هايي توليد شده است كه مي‌توانند DNAي هاچيموجي را به RNA تبديل كنند؛ نخستين گام در جهت ساخت پروتئين.

او و همكارانشان از اين شيوه براي ساخت رشته‌هايي از RNAي مصنوعي كه شبيه توالي است كه در اسفنج يافت مي‌شود و وقتي با يك ملكول كوچك پيوند برقرار مي‌كند، درست مانند همتاي طبيعي خود، داراي درخشش سبزرنگي مي‌شود، استفاده كردند. بنر مي‌گويد كه آن‌ها RNAي هاچيموجي ساخته‌اند كه مي‌تواند در محيط آزمايشگاه سلول‌هاي سرطاني تومورهاي كبد و سينه را پيدا كرده و به آن‌ها متصل شود. او اميدوار است كه در بلندمدت هاچيموجي بتواند در تشخيص سرطان‌ها، ويروس‌ها يا حتي سموم محيطي سودمند باشد. بنر قصد دارد كه حروف ديگري نيز به اين ساختارها اضافه كند و مي‌گويد مي‌خواهد به‌زودي هاچيموجي خود را روي سلول‌هاي زنده مورد آزمايش قرار دهد.

اما رومسبرگ مي‌گويد كه او با همكاري شركتي به نام سينتروكس (Synthorx)، توانسته است به‌طور موفقيت‌آميزي الفباي ۶ حرفي خود را هم در سلول‌هاي انساني و هم سلول‌هاي همستر آزمايش كند. اين شركت در حال مطالعه امكان فريب دادن سلول‌هاي نيمه‌سنتزي براي تكامل درجهت توليد پروتئين‌ها يا ملكول‌هاي ديگري براي مبارزه با سرطان و ديگر بيماري‌ها است.

اگرچه چالش واقعي، زيرساخت‌هاي بيولوژيك عظيمي است كه براي استفاده از زبان‌هاي ژنتيكي جديد به آن‌ها نياز است. به‌گفته‌ي بنر، هرچه الفباي يك زبان غيرطبيعي بيشتر شود، شما به مهندسي ابزارهاي بيشتري براي استفاده از آن نياز خواهيد داشت. به‌همين دليل است كه الينگتون معتقد است كه اين ابزارها در علم درحال پيشرفتِ ذخيره‌سازي داده‌هاي DNA به‌سرعت مورد استفاده قرار خواهد گرفت. شركت‌هاي بزرگ فناوري درحال ارزيابي اين موضوع هستند كه آيا نوكلئوتيدها مي‌توانند از لحاظ ذخيره‌سازي بلندمدت و آرشيوي اطلاعات با سيليكون رقابت كنند. تراكم اطلاعات در DNA قابل‌توجه است و هاچيموجي ظرفيت ذخيره‌ي اطلاعات آن را دوبرابر مي‌كند. آزمايشگاه الينگتون درحال مهندسي جزوه رايگانخانه‌اي از آنزيم‌ها براي خواندن و نوشتن نه‌تنها DNAي طبيعي و هاچيموجي بلكه همچنين هر نوع از آلفبايي كه در آينده معرفي شود، است. او مي‌گويد:

ما به آن به‌عنوان «كريپتوژنتيك» فكر مي‌كنيم. هدف ما ساخت ماشين مورد نياز براي خواندن و نوشتن زبان‌هاي اختصاصي DNA است. با استفاده از كريپتوژنتيك، شركتIBM و هر شركت ديگري مي‌تواند الفباي اختصاصي ژنتيكي خود را داشته باشد كه فرد ديگري قادر به ترجمه‌ي آن نباشد. يك الفباي گسترش‌يافته به شما فرصت ساخت چيزهاي بزرگ‌تر، بهتر، قوي‌تر و سريع‌تر را مي‌دهد.