ساخت اولين ژنوم باكتريايي با استفاده از كامپيوتر

به‌لطف تلاش‌هاي دانشمندان، روشي جديد توسعه داده شده كه به‌طرز درخورتوجه‌اي روند توليد مولكول‌هاي بزرگ DNA را ساده مي‌كند كه شامل صدها ژن هستند. با استفاه از اين روش، آن‌ها اولين ژنوم باكتري را ساختند كه الگوريتمي رايانه‌اي آن را كاملا طراحي كرده بود. اين روش ظرفيت اين را دارد كه علم زيست‌فناوري را به‌طوركلي دگرگون كند.

همه‌ي توالي‌هاي ژنوم شناخته‌شده در سراسر جهان در پايگاه داده‌اي متعلق به مركز ملي اطلاعات بيوتكنولوژي در ايالات متحده‌ي آمريكا ذخيره مي‌شوند. از امروز، اين پايگاه داده ورودي جديدي دارد: كالوباكتر اتنسيس 2.0. اين اولين ژنوم توليدشده‌ي رايانه از اندامگان زنده‌اي است كه دانشمندان دانشگاه ETH واقع در زوريخ آن را توسعه داده‌اند. بااين‌حال، بايد به اين موضوع تأكيد شود كه ژنوم كالوباكتر اتنسيس 2.0 ازلحاظ فيزيكي به‌شكل مولكول DNA بسيار بزرگي توليد شده است؛ اما اندامگان مرتبط هنوز وجود ندارد.

كالوباكتر اتنسيس 2.0 براساس ژنوم باكتري بي‌آزار آب‌شيريني ساخته شده كه روي آن مطالعه شده است. اين باكتري كه «كالوباكتر كرسنتوس» نام دارد، به‌طور طبيعي در آب چشمه‌ها و رودخانه‌ها و درياچه‌ها در سراسر دنيا يافت مي‌شود. كالوباكتر كرسنتوس باعث ايجاد بيماري نمي‌شود و اندامگان نمونه‌اي است كه در آزمايشگاه‌ها براي مطالعه‌ي زندگي باكتري‌ها استفاده مي‌شود. ژنوم اين باكتري شامل ۴,۰۰۰ ژن است. دانشمندان قبلا نشان دادند تنها ۶۸۰ مورد از اين ژن‌ها براي بقاي اين‌ گونه در آزمايشگاه ضروري هستند. باكتري‌ها با اين مقدار ژنوم حداقلي در شرايط آزمايشگاهي دوام مي‌آورند.

كالوباكتر كرسنتوس باكتري بي‌آزاري است كه در آب‌هاي شيرين سرتاسر دنيا يافت مي‌شود

بيت كريستين، استاد دانشگاه ETH زوريخ و برارش متياس كريستين، شيمي‌دان دانشگاه ETH زوريخ، حداقل ژنوم كالوباكتر كرسنتوس را به‌عنوان نقطه‌ي شروع در انديشه متخصصين گرفتند. آن‌ها اين ژنوم را از خراشي به‌عنوان كرومواخبار تخصصيي حلقوي به‌طور شيميايي سنتز كردند. براساس گزارش رسانه‌ها، سنتز شيميايي ژنوم باكتري‌ها را ۱۱ سال پيش كريگ ونتر، دانشمند آمريكايي پيش‌گام در علم ژنتيك، ارائه كرد كه نتيجه‌ي ۱۰ سال تلاش ۲۰ نفر دانشمند بود. هزينه اين پروژه مبلغي معادل ۴۰ ميليون دلار بوده است.

درحالي‌كه گروه ونتر كپي دقيقي از ژنوم طبيعي ساخته‌اند، پژوهشگران دانشگاه ETH ژنوم خود را با استفاده از الگوريتم كامپيوتري تغيير دادند. انگيزه‌ي آن‌ها براي انجام اين كار به دو دسته تقسيم مي‌شد:

• آسان‌تركردن روند ساخت ژنوم‌ها
• پاسخ‌ به پرسش‌هاي بنيادي علم زيست‌شناسي

براي ايجاد يك مولكول DNA به بزرگي يك ژنوم باكتري، دانشمندان بايد گام‌به‌گام پيش بروند. درباره‌ي ژنوم كالوباكتر، دانشمندان اين دانشگاه ۲۳۶ بخش ژنوم را سنتز كردند كه آن‌ها بعدا باهم تركيب شدند. متياس كريستين دراين‌باره گفت:

سنتز ردن اين ژنوم‌ها هميشه آسان نيست. مولكول‌هاي DNA نه‌تنها اين توانايي را دارند كه به ديگر مولكول‌هاي DNA بچسبند؛ بلكه بسته به توالي، آن‌ها همچنين مي‌توانند خود را به حلقه‌ها و گره‌هايي متصل كنند كه مي‌تواند فرايند توليد را مختل يا توليد را غيرممكن كنند. 

براي سنتزكردن بخش‌هاي ژنوم به ساده‌ترين شكل ممكن و سپس پيونددادن تمام بخش‌ها به‌شيوه‌اي ساده به‌هم، دانشمندان به‌طور كامل توالي ژنوم را بدون تغيير اطلاعات ژنتيكي واقعي در سطح پروتئين ساده كردند. آزاديِ‌عمل فراواني براي ساده‌سازي ژنوم‌ها وجود دارد؛ زيرا زيست‌شناسي افزونگي‌هايي براي ذخيره‌ي اطلاعات ژنتيكي دارد. به‌عنوان مثال، براي بسياري از اجزاي پروتئين (آمينواسيدها)، دو يا چهار يا حتي بيشتر از اين تعداد امكان براي نوشتن اطلاعاتشان در DNA وجود دارد.

الگوريتم ارائه‌شده‌ي دانشمندان در دانشگاه ETH زوريخ از اين افزونگي كد ژنتيكي استفاده بهينه مي‌كند. با استفاده از اين الگوريتم، پژوهشگران توالي ايده‌آل DNA را براي سنتزكردن و ساخت ژنوم محاسبه كردند كه آن‌ها درنهايت، از آن براي كار خود استفاده كردند. درنتيجه، دانشمندان تعداد زيادي تغيير كوچك را در حداقل ژنوم ايجاد كردند كه درمجموع تأثيرگذار هستند: بيش از يك‌ششم از تمام ۸۰۰,۰۰۰ حرف DNA در ژنوم مصنوعي در‌مقايسه‌با حداقل ژنوم طبيعي جايگزين شدند. بيت كريستين دراين‌باره گفت:

ازطريق اين الگوريتم، ژنوم خود را به توالي جديدي از حروف DNA كاملا بازنويسي كرديم كه ديگر مشابه توالي اصلي نيست. باوجوداين، عملكرد زيستي آن در سطح پروتئين يكسان باقي مانده است.

ژنوم بازنويسي‌شده از انديشه متخصصينات زيست‌شناسي جالب است. بيت كريستين دراين‌باره توضيح داد:

روش ما مانند آزمايش ليتموس است براي اينكه ببينيم زيست‌شناسان به‌درستي ژنتيك را درك كرده‌اند يا خير و به ما اين امكان را مي‌دهد كه شكاف‌هاي احتمالي در دانش خود را بيابيم.

به‌طور طبيعي ژنوم بازنويسي‌شده فقط مي‌تواند اطلاعاتي را شامل شود كه پژوهشگران درواقع آن‌ها را درك كرده‌اند. اطلاعات اضافي پنهان كه ممكن است در توالي DNA وجود داشته باشند و هنوز دانشمندان آن‌ها را نشناخته‌اند، در فرايند ايجاد اين كد جديد در انديشه متخصصين گرفته نشده‌اند.

براي اهداف پژوهشي دانشمندان گونه‌اي از باكتري‌ها را توليد كردند كه ژنوم طبيعي كالوباكتر و نيز بخش‌هايي از ژنوم مصنوعي جديد را شامل مي‌شد. پژوهشگران با خاموش‌كردن ژن‌هاي طبيعي خاصي در اين باكتري توانستند عملكرد ژن‌هاي مصنوعي را آزمايش كنند. آن‌ها هركدام از اين ژن‌هاي مصنوعي را در فرايندي چندمرحله‌اي آزمايش كردند.

 در اين آزمايش‌ها، پژوهشگران دريافتند فقط ۵۸۰ ژن از ۶۸۰ ژن مصنوعي عملكرد مناسبي دارند. بيت كريستين دراين‌‌زمينه گفت:

با دانشي كه در اين حوزه به‌دست آورديم، براي ما امكان‌پذير خواهد بود الگوريتم خود را بهبود ببخشيم و نسخه سوم ژنوم‌هايي با عملكرد كامل را توسعه دهيم.

متياس كريستين گفت:

اگرچه نسخه فعلي ژنوم هنوز بي‌نقص و كامل نيست، كار ما نشان مي‌دهد سيستم‌هاي بيولوژيكي به روشي ساده ساخته مي‌شوند كه در آينده، قادر خواهيم بود باتوجه‌به اهدافمان، مشخصات دلخواهمان را روي كامپيوتر طراحي كنيم و سپس، آن‌ها را بسازيم. 

آنچه با روش كريگ ونتر ۱۰ سال طول كشيد، گروه كوچك ما با اين فناوري جديد توانست در مدت يك سال به آن دست يابد كه هزينه‌اي معادل ۱۲۰,۰۰۰ فرانك سوئيس داشت. ما باور داريم ايجاد سلول‌هاي فعال باكتريايي با چنين ژنومي نيز به‌زودي امكان‌پذير خواهد بود.

چنين توسعه‌اي ممكن است ظرفيت درخورتوجهي داشته باشد. از بين متخصصدهاي احتمالي آينده‌ي اين روش، مي‌توان به ميكروارگانيسم‌هاي مصنوعي اشاره كرد كه مي‌توانند در بيوتكنولوژي براي توليد مولكول‌هاي پيچيده دارويي فعال يا ويتامين‌ها به‌كار گرفته شوند. همچنين، اين فناوري مي‌تواند براي توليد همه‌ي ميكروارگانيسم‌ها و نه‌تنها كالوباكترها استفاده شود. متخصصد احتمالي ديگر اين فناوري، توليد واكسن هاي DNA خواهد بود. هرچه نتايج اين پژوهش و متخصصدهاي احتمالي آن اميدواركننده باشد، استفاده از آن نيازمند مباحثهي عميق در جامعه درباره‌ي اهداف اين فناوري و درعين‌حال، روش‌هاي پيشگيري از سوءاستفاده‌هاي احتمالي آن است. بيت كريستين دراين‌باره گفت:

هنوز مشخص نيست اولين باكتري با ژنوم مصنوعي چه زماني توليد خواهد شد؛ اما اكنون واضح است كه اين باكتري مي‌تواند توليد شود. ما بايد از اين زمان براي مباحثه‌هاي متمركز در ميان دانشمندان و نيز در جامعه استفاده كنيم. ما براي شركت و كمك به ايجاد اين مباحثه با همه‌ي دانشمان آماده‌ايم.