دانشمندان ارگانيسمي با ژنوم كاملا مصنوعي خلق كردند
دانشمندان موجود زنده‌اي ايجاد كردند كه DNA آن كاملا ساخته‌ي دست بشر است. اين ارگانيسم شايد فرم جديدي از زندگي باشد و متخصص كارشناسان بر اين باورند كه اين پيشرفت نقطه عطفي در زمينه‌ي زيست‌شناسي مصنوعي محسوب مي‌شود. پژوهشگران دانشگاه كمبريج به‌تازگي گزارش كردند كه آن‌ها DNA نوعي باكتري به‌نام «اشرشيا كلي» را بازنويسي كرده و ژنومي مصنوعي ساخته‌اند كه چهار برابر بزرگ‌تر و بسيار پيچيده‌تر از نمونه‌هايي است كه قبلا ساخته شده است. اين باكتري‌ها زنده هستند هرچند شكل غيرعادي دارند و به آهستگي تكثير مي‌شوند، سلول‌هاي آن‌ها براساس مجموعه‌اي از قوانين بيولوژيكي عمل كرده و پروتئين‌هاي مربوط‌به كد ژنتيكي بازسازي شده را توليد مي‌كنند. اين دستاورد ممكن است روزي منجر به ساخت ارگانيسم‌هايي شود كه همچون كارخانه‌هاي زنده‌اي مواد دارويي جديد يا ديگر مولكول‌‌هاي ارزشمند را توليد كنند. اين باكتري مصنوعي همچنين ممكن است سرنخ‌هايي درمورد اينكه چگونه كد ژنتيكي در اوايل پيدايش حيات ايجاد شده است، مهيا كند. تام اليس، مدير مركز زيست‌شناسي مصنوعي در كالج سلطنتي لندن كه در مطالعه‌ي جديد نقشي نداشته است، مي‌گويد:
اين نقطه‌ي عطفي است. تا قبل از اين كسي كاري با اين اندازه و اين ميزان تغييرات انجام نداده بود.
هر ژن در يك موجود زنده از الفبايي از چهار مولكول بازي به نام آدنين (A)، تيمين (T)، گوانين (G) و سيتوزين (C) ساخته شده است. يك ژن ممكن است از هزاران مولكول بازي تشكيل شده باشد. ژن‌ها سلول را چنان هدايت مي‌كنند كه از ميان ۲۰ اسيد آمينه (واحدهاي سازنده پروتئين)، اسيدهاي آمينه‌ي مورد نياز را انتخاب كنند. در سلول پروتئين‌ها وظايف زيادي از حمل اكسيژن در خون گرفته تا توليد نيرو در عضلات را بر عهده دارند. ۹ سال پيش، پژوهشگران يك ژنوم مصنوعي را ساختند كه داراي طول يك ميليون جفت باز بود. ژنوم جديد اشرشيا كلي كه در مجله‌ي Nature گزارش شده است، ۴ ميليون جفت باز طول دارد و با روش‌هاي كاملا جديدي ساخته شده است.
يك ميكروگراف الكتروني رنگي از باكتري اشرشيا كلي
مطالعه‌ي جديد تحت هدايت جيسون چين زيست‌شناس مولكول‌ي دانشگاه كمبريج در بريتانيا انجام شد. او مي‌خواست بداند چرا نحوه‌ي كدگذاري‌هاي ژنتيكي در تمام موجودات شبيه هم است. توليد هر اسيدآمينه در سلول به‌وسيله‌ي ترتيب سه باز روي رشته‌ي DNA هدايت مي‌شود. اين توالي‌هاي سه تايي «كدون» ناميده مي‌شوند. براي مثال، كدون TCT تضمين مي‌كند كه اسيدآمينه‌اي به نام سرين به انتهاي پروتئين جديد متصل شود. از آن‌جايي كه تنها ۲۰ اسيدآمينه وجود دارد، تصور خواهيد كرد كه ژنوم براي ساخت آن‌ها فقط به ۲۰ كدون نياز دارد. اما كد ژنتيكي به‌دليلي كه كسي نمي‌داند، سرشار از افزونگي است. اسيدهاي آمينه به‌وسيله‌ي ۶۱ كدون و نه ۲۰ كدون كدگذاري مي‌شوند. براي مثال توليد سرين به وسيله‌ي ۶ كدون متفاوت هدايت مي‌شود. سه كدون هم كدون‌هاي پايان ناميده مي‌شوند كه به رشته‌ي DNA مي‌گويند كه كجا ساخت اسيد آمينه را متوقف كند. همچون بسياري از دانشمندان ديگر، دكتر چين نيز مسحور اين تكرارها بود؛ آيا تمام اين قطعه‌هايDNA براي حيات ضروري بوده‌اند؟ دكتر چين گفت:
از آن جايي كه در تمام اشكال حيات از هر ۶۴ كدون استفاده مي‌شود، ما پاسخي براي اين سؤال نداشتيم.
او براي يافتن پاسخ اين سؤال تصميم گرفت موجود زنده‌ي متفاوتي بسازد.
پژوهشگران پس از انجام چندين آزمايش مقدماتي، يك نسخه‌ي تغيير يافته از ژنوم اشرشيا كلي را روي كامپيوتر طراحي كردند كه براي توليد تمام اسيدهاي آمينه مورد نياز اين ارگاينسم تنها به ۶۱ كدون نياز داشت. اين ژنوم به‌جاي اينكه نياز به ۶ كدون براي ساخت سرين داشته باشد، تنها از ۴ كدون استفاده مي‌كرد و به‌جاي ۳ كدون پايان تنها ۲ كدون پايان داشت. درواقع پژوهشگران با DNAي اشرشيا كلي همچون يك فايل متن عظيمي رفتار كردند و يك تابع جست‌وجو و جايگزيني در روي بيش از ۱۸۰۰۰ نقطه اجرا كردند.
اكنون دانشمندان الگويي براي ژنوم جديد چهار ميليون بازي در اختيار داشتند. آن‌ها مي‌توانستند DNA را در آزمايشگاه سنتز كنند اما وارد كردن آن به باكتري (مخصوصا جايگزيني ژن‌هاي مصنوعي به‌جاي آن‌هايي كه طي تكامل ساخته شده بودند)، چالش بزرگي بود. ژنوم بسيار طولاني بود و نمي‌شد با يك حركت آن را وارد سلول كرد. براي حل اين اشكال، پژوهشگران قطعات كوچكي ساختند و آن‌ها را قطعه قطعه جانشين ژنوم باكتري كردند. وقتي اين كار تمام شد، ديگر هيچ قطعه طبيعي از DNA وجود نداشت و البته اشرشيا كلي تغيير داده شده، زنده ماند. اين باكتري نسبت‌به نمونه‌ي طبيعي، رشد آهسته‌اي داشت، طول آن بيشتر و حالت ميله‌اي شكل آن بيشتر شد. دكتر چين اميدوار است كه در ادامه بتواند كدون‌هاي بيشتري را حذف كند و كد ژنتيكي را بيش از اين فشرده كند. او مي‌خواهد ببيند كه چگونه مي‌توان در عين حفظ حيات، كدهاي ژنتيكي را ساده كرد.
يك ميكروگراف الكتروني رنگي از باكتري مايكوپلاسما مايكوئيدس با ژنوم داراي يك ميليون جفت باز. اكنون دانشمندان يك ژنوم اشرشيا كلي با اندازه‌ي چهار برابر ساخته‌اند
پژوهشگران كمبريج تنها يكي از گروه‌هاي متعدد پژوهشگراني هستند كه به‌دنبال ساخت ژنوم مصنوعي هستند. فهرست استفاده‌هاي بالقوه از چنين ژنومي بسيار طولاني است. يك فرصت جذاب اين است: ويروس‌ها ممكن است قادر به حمله به سلول‌هاي مجددا كدگذاري شده نباشند. امروزه بسياري از شركت‌ها از ميكروب‌هاي مهندسي ژنتيك شده براي ساخت داروهايي نظير انسولين يا مواد شيميايي مفيدي نظير آنزيم‌هاي شوينده استفاده مي‌كنند. اگر ويروسي مخازن تخمير را مورد حمله قرار دهد، نتايج فاجعه‌آميز خواهد بود. يك ميكروب با DNAي مصنوعي ممكن است دربرابر چنين حملاتي مصون باشد.
رمزگذاري مجدد DNA همچنين مي‌تواند به دانشمندان اين امكان را بدهد كه سلول‌هاي مهندسي شده را به طريقي برنامه‌ريزي كنند كه در صورت وارد شدن به گونه ديگر، ژن‌هاي آن‌ها كار نكند. فين استيرلينگ متخصص زيست‌شناسي مصنوعي در مدرسه‌ي پزشكي هاروارد كه در پژوهش حاضر مشاركتي نداشته است، مي‌گويد:
امكان ساخت يك ديوار امنيتي ژنتيكي وجود دارد.
پژوهشگران همچنين علاقمند به كدگذاري مجدد حيات هستند زيرا اين كار مجالي را براي ساخت مولكول‌‌هايي با شيمي كاملا جديد فراهم مي‌كند. فراتر از ۲۰ اسيد آمينه‌اي كه در تمام موجودات زنده استفاده مي‌شود، صدها نوع ديگر نيز وجود دارند. يك كد ژنتيكي فشرده با كدون‌هاي آزاد كه دانشمندان مي‌توانند از آن براي كدگذاري مجدد واحدهاي ساختماني جديد استفاده كنند، پروتئين‌هاي جديدي خواهد ساخت كه وظايف جديدي در بدن انجام خواهند داد. جيمز كويو، پژوهشگر مدرسه‌ي پزشكي هاروارد با اشاره به هزينه‌ي انجام اين كار مي‌گويد كه كنار هم قرار دادن بازها براي ساخت ژنوم بسيار هزينه‌بر است و شايد پژوهشگران دانشگاهي قادر به انجام آن نباشند.
اما اشرشيا كلي نيروي كار پژوهش‌هاي آزمايشگاهي است و اكنون مي‌دانيم كه ژنوم آن قابل ساخت است. مي‌توان تصور كرد با افزايش تقاضا، ارزش‌ها كاهش پيدا كنند. پژوهشگران مي‌توانند روش دكتر چين را روي مخمر يا ديگر گونه‌ها نيز اجرا كنند. آقاي استيرلينگ گفت:
ازلحاظ تئوري شما مي‌توانيد هر چيزي را مجددا كدگذاري كنيد.
هم انديشي ها