انجام موفقیت‌آمیز مهندسی ژنتیک روی مورچه‌ها؛ مورچه‌ها به موجوداتی منزوی تبدیل می‌شوند

بر خلاف برداشتی که فیلم‌های هیولایی سال‌های دهه‌ی ۱۹۵۰ سعی در نشان دادنش داشتند، پرورش دادن مورچه‌های جهش‌یافته کار بسیار دشواری است. زیست‌شناسان برای سال‌ها به دستکاری و ایجاد تغییر در ژنتیک موجودات زنده پرداخته‌اند و در این مسیر روی موجودات بسیار متنوعی از موش‌ها تا برنج و سایر گیاهان کار کرده‌اند.

ریزپشه‌ها به‌عنوان دستاورد اصلی این پژوهش‌های آزمایشگاهی محسوب می‌شوند. اما چرخه‌ی زندگی پیچیده‌ی مورچه‌ها باعث شده بود تا پرورش دادن مورچه‌های دستکاری‌‌شده از نظر ژنتیکی تا به این زمان ممکن نباشد.

روز پنجشنبه ۱۱ آگوست، دو گروه پژوهشی مستقل از هم به تشریح کار خود در زمینه‌ی حذف ژن‌های مورچه‌ پرداختند. دو مقاله در زمینه‌ی دستیابی به نخستین مورچه‌های جهش‌یافته در ژورنال Cell منتشر شدند و در کنار اینها نیز مطالعه‌ی سومی با موضوع تغییر رفتار مورچه‌ها با استفاده از یک هورمون مغزی مختص حشرات ارائه شده بود.

کلود دسپلن، زیست‌شناس از دانشگاه نیویورک و نویسنده‌ی اصلی یکی از همین مقالات پژوهشی اعلام کرد، تا جایی که وی و همکارانش اطلاع داشته‌اند، این مورچه‌ها در نوع خود به‌عنوان نخستین حشره‌های جهش‌یافته در میان تمام حشرات با زندگی اجتماعی محسوب می‌شوند.

مورچه‌ها دارای نقش‌های اجتماعی پیچیده‌ای هستند و از طرفی هم اعضای یک کلونی مورچه‌ای از نظر ژنتیکی نیز بسیار شباهت دارند. مورچه‌های ماده احتمالا ملکه‌هایی تخم‌گذار یا کارگرانی نابارور یا تمیزکننده یا حتی سرباز باشند. مورچه‌های نر نیز در واقع بیش از یک سیستم‌ تحویل اسپرم بالدار هستند، تنها به صورت فصلی مشاهده می‌شوند. دسپلن می‌گوید:

شما برای اطمینان یافتن از کارکرد ژن‌های جهش‌یابنده می‌بایست به سراغ ملکه بروید و به وجود آوردن ملکه‌ به راحتی میسر نمی‌شود.

دانیل کرونور، زیست‌شناس از دانشگاه راکفلر و نویسنده‌ی مقاله‌ی دوم در خصوص جهش ژنی مورچه‌ها باور دارد:

پرسش‌های جالب بسیاری در زمینه‌ی زیست‌شناسی وجود دارند که شما می‌توانید در مورد مطالعات خود روی مورچه‌ها مطرح کنید؛ پرسش‌هایی که شاید در مطالعه‌ی پشه‌های میوه یا حتی موش پیش نیاید.

اگر شما هزاران پشه‌ی میوه‌ی معمولی را در یک محیط کثیف رها کنید، ممکن است آنها با هم جفت‌گیری کنند یا اینکه بینشان درگیری ایجاد شود. اما این فقط در مورد همان پشه‌ها صادق است و نه مورچه‌ها. اگر همان کار را با مورچه‌ها انجام دهیم، آنها بلافاصله شروع به حفاری و حمل غذا برای مورچه‌ها تازه متولد شده و از کار افتاده می‌کنند.

موضوع دیگر این است که حشرات به‌عنوان اهداف اول در مطالعه‌های مربوط به اثرات پس‌زایشی یا اپی‌ژنتیک محسوب می‌شود؛ اپی‌ژنتیک در واقع به عواملی مربوط می‌شود که پس از تولد می‌توانن باعث فعال یا غیرفعال شدن ژن‌ها شوند. دسپلن در این باره می‌گوید:

مورچه‌ها بسیار جالب هستند؛ زیرا آنها با ژنومی یکسان می‌توانند ملکه، کارگر یا کارگری از طبقه‌ی دیگر یا اینکه سرباز باشند.

گروه پژوهشی دسپلن تصمیم به مطالعه‌ی گونه‌ای از مورچه‌های پرنده‌ی یافت‌شده در هندوستان با نام علمی Harpegnathos saltator گرفته بودند. زیرا تمام این مورچه‌ها از نظر بالقوه می‌توانند بارور باشند.

در واقع مورچه‌های کارگر نیز در اینجا باید به‌عنوان ملکه‌نماهایی به نظر برسند. اگر کلونی مورچه‌های پرنده ملکه‌ی خود را از دست دهد، آنگاه مورچه‌های کارگر وارد نزاع‌های خاصی با هم خواهند شد.

گروه کرونولر اما به سراغ مورچه‌هایی رفتند که به عنوان مورچه‌های بافت‌زاد یا غیرلقاحی شناخته می‌شدند. این مورچه‌ها از طریق غیرجنسی و از راه بکرزایی تولید مثل می‌کنند.

برای هر دوی این گونه‌ها، نتیجه‌ی مطلوب از دستکاری ژنتیکی یکسان بود: اینکه مورچه‌های مادری ایجاد شوند که باعث به دنیا آمدن موجودات جهش‌یافته در نسل بعدی باشند.

هر دو گروه پژوهشی مورچه‌های خود را با یک روش جهش دادند. آنها از روش معروف CRISPR-Cas9 استفاده کردند. دانشمندان از عملکرد مولکول‌های باکتریایی به‌عنوان قیچی‌هایی برای شکاف دادن ژن‌ها استفاده کردند و به این ترتیب، ماده‌ای حیاتی در گیرنده‌های بویایی مورچه را توانستند از ساختار آن خارج کنند.

فرومون‌ها رایحه‌هایی هستند که مورچه‌ها برای برقراری ارتباط از آن‌ها استفاده می‌کنند و در واقع وسیله‌ی ارتباط جمعی مورچه‌ها محسوب می‌شوند. همچنین صدها ژن وابسته به بویایی در مورچه‌ها وجود دارند و حذف یک ژن کلیدی می‌تواند به‌طور موثری روی کل سیستم بویایی مورچه تاثیر بگذارد و آن را ناکارامد کند.

کرونور در این مورد گفت:

حذف تک‌تک ژن‌های بویایی اساسا ناممکن است. اما توان ژنی به نام اورکو (orco) برای تاثیر گذاشتن روی کل ژن‌های بویایی به‌وضح آن را به یک گزینه‌ی خوب برای دستکاری تبدیل می‌کند.

در واقع به همین دلیل بوده که هر دوی این گروه‌ها تصمیم به تمرکز روی همین ژن گرفته‌اند. مورچه‌ها با حذف این ژن حدود ۹۰ درصد از توان بویایی خود را از دست دادند.

 رفتار مورچه‌های جهش‌یافته به‌طور چشم‌گیری تغییر کرد. مورچه‌های بالدار هندی به محل‌هایی خارج از کلونی خود سرگردان شده و توانایی جستجو را از دست داده بودند. اگر دسپلن یکی از مورچه‌های جهش‌یافته را ایزوله می‌کرد، آن مورچه کماکان می‌توانست به‌طور بالقوه تبدیل به یک ملکه‌ی بارور شود.

اما نکته در اینجاست که مورچه‌های جهش‌یافته‌ی ملکه‌مانند در این پژوهش، تخم‌های کمی می‌گذاشتند و مادرهای ضعیفی بودند و اگر مورچه‌های جهش‌یافته متعلق به یک کلونی با ملکه‌ی مفقوده بودند، در آن صورت نیز به‌روال معمول خود قادر به انجام نبردهای شاخکی نمی‌شدند. مورچه‌های به جای این کار، شاخک‌های خود را تنها در هنگامی حرکت می‌دادند که تنها باشند و به تعبیری در یک نبرد خیالی شرکت می‌کردند!

مورچه‌های مهاجم کلونی نیز که توانایی حس کردن فرومون‌ها را نداشتند، به‌ همین شکل رفتار عجیبی از خود بروز می‌دادند. این مورچه‌ها در حالت طبیعی می‌بایست از بوی ماژیک‌های شارپی (نام تجاری این محصول) متنفر باشند؛ اما با رخ دادن جهش‌های جدید، آنها کاملا به‌سوی این ماژیک‌ها و بوی آنها جذب شدند. مورچه‌های Ooceraea biroi نیز همانند مورچه‌های بالدار، رفتارهای ضداجتماعی پیدا کرده بودند. کرونر توضیح می‌دهد:

این مورچه‌ها به یکباره، دیگر اجتماعی نبودند؛ آنها فراری شده بودند و نمی‌خواستند که به کلونی‌های خود ملحق شوند. آنها فقط به دور خودشان و به صورت بی‌هدف حرکت می‌کردند و دیگر از خصیصه‌ی معروف آنها در زمینه‌ی پیروی از بوی فرومون‌ها و حسشان خبری نبود.

اتفاق‌های عجیب‌تر از این نیز رخ داد. یکی از مورچه‌ها به‌طور عجیبی به داخل کلونی خود خزیده و یکی از تخم‌ها را از آنجا برداشته و با آوردن آن به بیرون کلونی شروع به وارد کردن ضرباتی به آن شد و بعد از اینکار نیز دچار تکان‌های ناگهانی‌شده و در نهایت به‌روال خود بازگشت.

در واقع بدون آنکه علتی برای صدور سیگنال هشدار باشد؛ این مورچه با صدور رایحه‌هایی از فرومون‌ها باعث صدور سیگنال‌های هشدارشده و منجر به ایجاد تشویش در میان مورچه‌های جهش‌نیافته شد.

اکنون که دانشمندان به امکان تغییر رفتارهای یک مورچه از طریق ژن‌های آنها پی برده‌اند، کرونر در حال برنامه‌ریزی برای مطالعه‌ روی روش‌هایی است که مورچه‌ها با استفاده از آن، کارگرها و وظایف را در میان خود تقسیم می‌کنند.

تصور کنید که در یک خانه‌ی دونفره، هنگامی که ظرف‌های کثیف انباشته می‌شوند، یکی از دو هم‌خانه‌ که آستانه‌ی تحمل کمتری برای سازگاری با ظرف‌های کثیف دارد، اقدام به شستن آنها می‌کند. از نقطه‌نظر زیست‌شناختی، آن هم‌خانه‌ی شوینده‌ی ظرف به‌عنوان متخصص یا مستعد در وظیفه‌ی شستن ظرف قلمداد می‌شود.

کرونر قصد دارد تا با استفاده از دستکاری‌های ژنتیکی، به‌طور مستقیم درباره‌ی آستانه‌ی رفتارهای داخلی مورچه‌ها تحقیق کند. اگر بخواهیم برای عوامل خارجی موثر روی آستانه مثال بزنیم می‌توانیم به همان موضوع ظرف‌ها و برای نمونه، اضافه شدن یا کم شدن یک ماشین ظرفشویی در خانه اشاره کنیم.

دسپلن نیز به روش‌های مورد استفاده‌ی مورچه‌ها برای افزایش طول عمرشان علاقه دارد. مورچه‌های کارگر تا هفت ماه زیست می‌کنند و مورچه‌های ملکه نیز می‌توانند چند سال زنده بمانند.

این موضوع درست به همان اندازه عجیب است که دو انسان دوقلوی همسان، یکی به‌مدت ۸۵ سال و دیگری ۵۵۰ سال عمر کنند.

مورچه‌های کارگر شبه‌ملکه، با قرار گرفتن در معرض فرومون‌های ملکه، مجددا به مورچه‌های کارگر تبدیل می‌شوند و شاهزاده‌های‌ سابق در واقع در طی چند ماه می‌میرند. این بدین معناست که یک کلید ژنتیکی برگشت‌پذیر برای کنترل طول عمر مورچه‌ها وجود دارد.

دانشمندان دیگر نیز مدل‌های مورچه‌های جهش‌یافته را مورد توجه قرار داده‌اند؛ کرونر اشاره می‌کند که دانشمندان مطالعه‌کنند روی زنبورهای عسل نیز یکی از آن دسته‌های پژوهشی هستند. به‌گفته‌ی وی، افراد بسیار هیجان‌زده هستند و مایلند بدانند که آیا امکان ایجاد پروتکل‌هایی مشابه برای سایر گونه‌ها هم وجود دارد یا خیر.

پژوهش‌های اینچنینی طبیعتا باعث باز شدن روزنه‌های جدیدی در آینده خواهد شد. اگر روش‌های علوم زیستی سنتی مبنی بر مطرح ساختن سوال‌های فراون در مورد یک ارگانیزم باشد؛ مثلا همان پژوهش‌هایی که روی موش‌ها یا پشه‌ها انجام می‌شود، در آن صورت روش‌های مهندسی ژنتیک به زیست‌شناسان اجازه می‌دهد تا سوال‌های خاصی را در مورد یک حیوان خاص و نیازهای مختص آن زمینه مطرح کنند.

دسپلن می‌گوید که اگر شما به دنبال مدلسازی جوامع باشید می‌توانید به مورچه‌ها بنگرید؛ زیرا موش‌ها هم حتی رفتارهای اجتماعی راضی‌کننده‌ای برای پژوهش‌ها ندارند.

برخی از حشره‌شناسان به خاطر علاقه‌ای که به مورچه‌ها دارند، به کارشناسان حاذقی در حوزه‌ی حیات مورچه‌ها تبدیل می‌شوند. دسپلن نیز از این دست افراد بوده و پیش از اینکه به بررسی مورچه‌های جهش‌یافته بپردازد، روی پشه‌ها و زنبورها و پروانه‌ها نیز مطالعه داشته است. او می‌گوید:

ما به افراد بررسی‌کننده‌ی مورچه‌ها تبدیل شدیم؛ زیرا به آن نیاز داشتیم؛ نه به خاطر اینکه از همان ابتدا در این حوزه بوده باشیم.

در ادامه اگر این مدل‌های مورچه‌های جهش‌یافته به همان روندی ادامه یابند که دسپلن و کرونر پیش‌بینی می‌کنند، در آن صورت شاهد پژوهش‌ها و کنجکاوی‌های بیشتری در این حوزه خواهیم بود.