بررسی پیشرفت‌های شبیه سازی موجودات زنده در ۲۰ سال اخیر

در این مقاله ابتدا به تشریح فرآیند شبیه‌سازی (همانندسازی) می‌پردازیم و سپس پیشرفت‌های این عرصه را در بیست سال اخیر تشریح می‌کنیم. اسب‌های قهرمان، گاوهای مقاوم به جنون گاوی و خوک‌های گوش آبی تنها گوشه‌ای از کاربردهای این دانش هستند.

حدود بیست سال از زمانی که دانشمندان اسکاتلندی، جهان را با خبر همانندسازی دالی، نخستین پستاندار همانندسازی شده‌ی با استفاده از سلول بالغ، شگفت‌زده کردند، می‌گذرد. استثنایی بودن دالی از آنجا است که والدین این گوسفند در حقیقت سلول‌های گرفته‌شده از بافت‌های تنها یک گوسفند ماده‌ی بالغ دیگر بودند. دالی نسخه‌ی دیگر ژنتیکی همان گوسفند است؛ یک کلون. 

دالی به نظر مردم عادی بسیار خاص بود؛ ولی پژوهشگران از مدت‌ها پیش و از روی تحقیقات پیشین، چنین روزی را انتظار می‌کشیدند. برای مثال جورج سیدل از دانشگاه ایالتی کلرادو بیش از ۴۰ سال است (۲۰ سال پیش از تولد دالی) که با سلول‌های جنینی مختلف کار می‌کند و به‌صورت تخصصی راه‌های گوناگون همانندسازی گاوها و دیگر احشام را مورد پژوهش قرار می‌دهد. در حقیقت یکی از اعضای تیم تحقیقاتی همانند‌سازی دالی پیش از آن‌که به این گروه در اسکاتلند بپیوندد، سه سال در آزمایشگاه سیدل مشغول به پژوهش بود.

دالی یک دستاورد مهم بود که الهام‌بخش بسیاری از دانشمندان برای ادامه‌ی راه بهبود فناوری‌های همانند‌سازی و جست‌وجوی مفاهیم جدید در زمینه‌ی سلول‌های بنیادی شد. هدف همانندسازی هیچ‌گاه خلق گله‌های همسان از احشام شبیه‌سازی شده نبوده است، بلکه ارتقای روش‌های همانندسازی، تلفیق آن‌ها با تکنولوژی روز و تسریع روش‌های سنتی تولید مثل حیوانات و همچنین یادگیری بیشتر در مورد سالخوردگی و بیماری‌ها بوده است.

دالی یک گوسفند ماده‌ی کاملا عادی بود که پس از بلوغ، مادر بره‌های عادی بسیاری شد. این گوسفند به مدت شش سال و نیم عمر کرد و سپس در اعمال قرنطینه روی گله‌ای که در آن بود و جلوگیری از سرایت بیماری مسری که گوسفندان (چه شبیه‌سازی شده و چه عادی) را مبتلا می‌کرد، معدوم شد. زندگی این نمونه چیزی غیرعادی در خود ندارد؛ ولی شیوه‌ی ورود او به عرصه‌ی حیات بسیار حائز اهمیت است. پیش از دهه‌ها پژوهش که سرانجام به همانند‌سازی دالی ختم شد، گمان می‌رفت که تنها راه تولید مثل حیوانات عادی، لقاح تخمک با اسپرم باشد.

این سلول‌ها به‌طور عادی تنها سلول‌های شناخته‌شده برای تولید مثل هستند و هرکدام دارای نیمی از شناسنامه‌ی ژنتیکی والدین (کروموزوم‌ها) هستند. به این ترتیب هنگامی که این دو نوع سلول (که اصطلاحا هاپلوئید نامیده می‌شوند) در عمل لقاح به هم می‌پیوندند، سلولی واحد با تعداد کروموزوم کامل می‌سازند. این سلول کامل که از دو والد تشکیل شده است دیپلوئید نامیده می‌شود که در ریشه‌ لاتین به معنی جفت است.

پس از لحظه‌ی لقاح تقریبا تمامی سلول‌های بعدی تشکیل‌دهنده‌ی جانداران پرسلولی، ساختار ژنتیکی مشابه دیپلوئید دارند. هنگامی که رویان تک‌سلولی رشد می‌کند و در قدم بعدی به رویان دو و سپس چهار سلولی تبدیل می‌شود، تمامی این سلول‌ها DNA یکسان خواهند داشت و از نظر ژنتیکی مشابه خواهند بود. این الگو در تمام دوران رشد حفظ می‌شود و بنابراین تمامی هزاران میلیارد سلول یک انسان بالغ بدون توجه به این‌که در چه بافتی (ریه، قلب، استخوان و...) باشند، از نظر ژنتیکی کاملا مشابه‌اند.

در طرف دیگر، دالی نه از این روش معمول بلکه از روشی به نام انتقال هسته‌ی سلول پیکری به وجود آمده است. در این روش دانشمندان به‌صورت مصنوعی ماده‌ی ژنتیک یک سلول تخمک را از درون آن خارج می‌کنند و سپس تخمک خالی را با هسته‌ی (محل قرارگیری کروموزوم‌ها یا همان ماده‌ی ژنتیک) یک سلول دیگر از همان موجود پر می‌کنند. تخمک بارورشده با این روش در واقع یک کارخانه‌ برای تولید جنین خواهد بود و با تقسیم سلولی زمینه‌ی حیات یک نوزاد را فراهم می‌آورد. همان‌طور که ملاحظه شد، در این روش هیچ اسپرمی وجود ندارد و به‌جای آن‌که هر یک از والدین اهداکننده‌ی نیمی از ماده‌ی ژنتیکی باشند، تمام آن از یک والد به دست می‌آید.

دالی حاصل صدها آزمایش و سعی‌وخطای پیش از خود بود؛ به‌ویژه آزمایش‌هایی که نشان دادند سلول‌های رویان و جنینی دیپلوئید هم می‌توانند والد نوزادان جدید باشند. با این حال، تشخیص این‌که موجود شبیه‌سازی شده در تمامی ویژگی‌ها مشابه والد خود باشد، آسان نیست. در یک روش، دانشمندان تعدادی از سلول‌های یک رویان ۱۶ سلولی را منجمد می‌کنند. اگر در ادامه این رویان به یک نوزاد کاملا مشابه والد تبدیل شد، می‌توان از آن سلول‌های منجمد برای ایجاد کلون‌های بیشتر استفاده کرد؛ اما این روش به دلیل ضریب موفقیت پایین منسوخ شده است.

استفاده از سلول‌های پیکری در دالی به‌جای سلول‌های رویان یا جنینی، ثابت کرد که به این روش می‌توان از همسان بودن نوزاد ضریب اطمینان بالایی داشت.

طبق برآوردهای دکتر سیدل، دالی مورد موفق از میان ۲۷۷ آزمایش جابجایی هسته‌ی سلول‌های پیکری بود. در برخی از موارد، این روش همانندسازی منجر به جنین‌های غیر طبیعی می‌شود که اغلب خیلی زود می‌میرند. اما امروزه این فرایند ارتقاء یافته است و ضریب موفقیت آن به چیزی حدود ۱۰ درصد رسیده است. البته این ضریب بسته به نوع سلول‌های مورد استفاده و گونه‌ی جاندار مورد همانندسازی ممکن است بسیار متغیر باشد. تاکنون بیش از ده نوع مختلف سلول با موفقیت به‌عنوان سلول والد همانندسازی استفاده شده است. امروزه اغلب همانندسازی‌ها با استفاده از سلول‌های بافت‌برداری شده‌ی پوست انجام می‌شود.

همسان بودن ژن‌ها تنها بخشی از داستان همانندسازی است. حتی هنگامی که کلون‌ها از نظر ژنتیکی کاملا مشابه باشند، ممکن است فنوتایپ (ویژگی‌های فیزیکی) متفاوتی بروز دهند. این پدیده در دوقلوهای همسان نیز قابل مشاهده است. دوقلوهای همسان کروموزوم‌های کاملا مشابه دارند؛ ولی می‌توان تفاوت‌هایی جزئی میان آن‌ها یافت؛ به‌ویژه اگر در شرایط محیطی متفاوتی بزرگ شده باشند.

شرایط محیطی نقش مهمی در بروز و شکل‌گیری برخی ویژگی‌ها بازی می‌کند. میزان غذا و زمان دسترسی به آن روی وزن مؤثر است، بیماری‌ها می‌توانند در مراحل رشد طبیعی اخلال ایجاد کنند و بنابراین نحوه‌ی زندگی، تغذیه و بیماری‌ها می‌توانند تعیین کنند که کدام ژن‌ها بروز کنند و کدام‌ خاموش بمانند. به این عوامل، تأثیرات وراژن شناسی (اپی‌ ژنتیک) می‌گویند. هرچند تمامی کروموزوم‌ها در دو کلون همسان‌ هستند؛ ولی ممکن است این دو، بروز یکسانی از این ژن‌ها نداشته باشند.

برای بیان مثالی از این بروز ناهمسان ژن‌های یکسان می‌توان به مسئله‌ی همانندسازی اسب‌های مسابقه‌ی قهرمان اشاره کرد. کلون‌های این اسب‌ها در برخی اوقات مانند والد خود در مسابقات برنده می‌شوند و صفات یک اسب مسابقه‌ی پیروز را از خود بروز می‌دهند؛ ولی در اغلب مواقع این اتفاق رخ نمی‌دهد و تنها اسب‌هایی معمولی به وجود می‌آیند. برنده‌ها معمولا داده‌ی پرت نموداری هستند. درست است که ژن‌های قهرمان باید در آن‌ها وجود داشته باشد؛ ولی عوامل اپی‌ ژنتیک و محیط نیز باید کاملا مساعد باشند تا آن ژن‌های بالقوه قهرمان، بروز کامل پیدا کنند. برای مثال بازسازی کامل از شرایط زهدانی یک اسب قهرمان در مورد کلون آن غیرممکن است. تمامی آزمایش‌ها مبین این هستند که همانندسازی قهرمانان به شکست منجر خواهند شد. در نقطه‌ی مقابل، همانندسازی کره‌اسب نر از والد نری که پدر کره‌های قهرمان بوده است، در اغلب مواقع منجر به اسبی می‌شود که در بلوغ می‌تواند به‌نوبه‌ی خود پدر اسب‌های قهرمان بعدی باشد. این به دلیل ژنتیک است و در اینجا دیگر ویژگی‌های فیزیکی مطرح نیست.

حتی در این شرایط، باوجود این‌که اسب نر کلون شده از نظر ژنتیکی کاملا شبیه اسب نر اولیه است، وجود عوامل محیطی نامناسب می‌تواند کره‌های غیر قهرمان از آن به وجود آورد. اسپرم‌ها، راه‌های ویژه‌ فعال کردن تخمک و بارور کردن آن دارند؛ تخمک در صورت فعال نشدن بارور نمی‌شود. در همانند‌سازی، این فعال‌سازی با یک شوک الکتریکی قوی انجام می‌شود. همچنین بسیاری دیگر از مراحل همانندسازی و رشد رویان پس از آن، در شرایط آزمایشگاهی انجام می‌شوند و این شرایط نمی‌توانند جایگزین دقیق شرایطی باشد که در تولیدمثل عادی در بدن گونه‌ی ماده صورت می‌گیرند.

در برخی مواقع رویان‌های غیرعادی شکل می‌گیرند که  ناهنجاری‌های هنگام زایمان را موجب می‌شوند. برای مثال یکی از این ناهنجاری‌ها سندروم نوزاد غول‌پیکر نام‌ دارد که در آن کره‌ها هنگام زایمان ۳۰ تا ۴۰ درصد بزرگ‌تر از حالت طبیعی هستند و زایمان سختی را رقم می‌زنند. ریشه‌ی این ناهنجاری در جفت غیرطبیعی (Abnormal Placenta) است؛ تقریبا اکثر پستانداران در دوران جنینی از جفت تغذیه می‌کنند. این نوزادان از نظر ژنتیکی کاملا طبیعی هستند؛ ولی اندازه‌ای بزرگ‌تر از معمول دارند و به دلیل ترشح انسولین زیاد، سطح قند خونشان بسیار پایین است (هیپوگلیسمی). این ناهنجاری‌ها پس از به دنیا آمدن و قطع بند ناف از جفت غیرطبیعی مرتفع می‌شوند. این ناهنجاری‌ها در تولید مثل طبیعی نیز رخ می‌دهند؛ منتها با نرخ بسیار پایین‌تر. پیشرفت‌های اخیر همانندسازی سبب شده‌اند تا ناهنجاری‌ها در مقایسه با قبل بسیار کاهش پیدا کنند.

تاکنون بیش از هزاران نمونه همانندسازی شده در مورد نزدیک به ۲۵ گونه‌ی متفاوت پستانداران انجام گرفته است. در این میان تعداد بسیار کمی به مرحله‌ی کاربرد عملی رسیده‌اند. یکی از این موارد، همانندسازی گاو نر گوشتی مشهوری از نژاد آنگاس به نام «پاسخ نهایی» بوده است. این گاو به‌تازگی در سالخوردگی جان سپرد ولی از اسپرم آن برای تولید گوساله‌های پروار باکیفیت استفاده شد.

دورنمای دانش همانندسازی به‌سرعت در حال تغییر است. انگیزه‌ی همانندسازی دالی ایجاد گله‌هایی از احشام یکسان نبود؛ بلکه محققان می‌خواهند با ترکیب فنون همانندسازی و دیگر روش‌ها، حیوانات را از نظر ژنتیکی به‌سرعت تغییر دهند. ایجاد تغییرات به روش‌های سنتی جفت‌کشی در حیوانات، به دهه‌ها زمان نیاز دارد.

یکی دیگر از کاربردهای همانندسازی که به‌تازگی انجام شده، معرفی نژاد بدون شاخ گاوهای شیری بوده است. بدین ترتیب فرآیند دردناک و پردردسر بریدن شاخ‌های این‌گونه دیگر نیاز نخواهد بود. کاربرد جالب‌تر این روش ایجاد گونه‌ی جدیدی از خوک‌ها است که در برابر ابتلا به بیماری گوش آبی مقاوم‌اند. این بیماری سالیانه تا ۲ میلیارد دلار در آمریکا و اروپا زیان به بار می‌آورد. گاوهای مقاوم به بیماری جنون گاوی نیز به‌تازگی گزارش شده‌اند. انتقال هسته‌ی سلول‌های ‌پیکری بخش جدایی‌ناپذیر هریک از این دستاوردها بوده است.

اما مهم‌ترین دستاورد این روش تا به امروز، افزایش چشمگیر دانش ما در مورد ناهنجاری‌های رویانی، عوامل سالخوردگی و بسیاری موارد دیگر بوده است. این دانش تاکنون کمک شایانی به دانشمندان در کاهش ناهنجاری‌های مادرزادی، غلبه بر ناباروری، مقابله با برخی سرطان‌ها و کاهش اثرات منفی سالخوردگی در احشام و حتی انسان کرده است. دو دهه از همانندسازی دالی گذشته است و همچنان ما از دستاوردهای این رویداد استفاده می‌کنیم.