پژوهشگران نوکلئوتیدهای مصنوعی جدیدی را به ساختار طبیعی DNA اضافه کردند

اگر بخواهیم کل زیست‌شناسی را به یک معادله‌ی ساده تبدیل کنیم، به این صورت خواهد بود که: DNA ملکول RNA را می‌سازد، RNA پروتئین‌ها را و پروتئین‌ها هر چیز زنده‌ای که شما می‌توانید بو کنید، لمس کنید و بچشید را می‌سازند. این اصل مرکزی زیست‌شناسی که روی رشته‌های متشکل از بازهای آلی سیتوزین، گوانین، تیمین و آدنین بنا می‌شود، از زمانی‌که درحدود ۶۵ سال پیش، دانشمندان ساختار مارپیچ مضاعف DNA را کشف کردند، رواج پیدا کرد. اکنون این اصل در حال تغییر است چون دانشمندان از تعداد کدهایی که طبیعت فراهم می‌آورد، فراتر رفته‌اند.

پژوهشگران به‌تازگی آخرین شاهکار مهندسی DNA مصنوعی را نمایان کردند: یک سیستم ستزی هشت حرفی به‌نام DNAی هاچیموجی (hachimoji DNA). کلمه‌ی هاچی در زبان ژاپنی به‌معنای هشت و موجی به‌معنای حرف است. این سیستم از چهار نوکلئوتید طبیعی و چهار نوکلئوتید مصنوعی ساخته شده است که همه به‌صورت یکپارچه در ساختار مارپیچی DNA قرار گرفته و شکل طبیعی آن را حفظ می‌کنند. علاوه‌بر‌این، جفت شدن این حروف جدید نیز مثل حروف طبیعی DNA قابل پیش‌بینی است و می‌توانند درست مانند DNAی طبیعی تکامل پیدا کنند. پیش از این، دانشمندان حروف الفبای ژنتیکی را به ۶ مورد رسانده بودند اما آخرین ویرایش، مقدار اطلاعاتی را که در DNAی طبیعی قابل کدگذاری است، دوبرابر می‌کند و می‌تواند محدوده‌های ذخیره‌ی اطلاعات ملکولی در DNA را مورد آزمایش قرار دهد.

این امر می‌تواند تاثیر فوری روی صنعت درحال ظهور «ذخیره‌سازی داده‌های DNA» و نیز جستجوی ناسا در خارج از منظومه‌ی شمسی داشته باشد. این نتیجه همچنین نشان‌دهنده‌ی یک گام بزرگ به سمت شناسایی اشکال متفاوت حیات است؛ موجوداتی که زبان ژنتیکی آن‌ها از زبان ژنتیکی موجوداتی که روی زمین تکامل یافته‌اند، متفاوت است. استیون باربر پژوهشگر مطالعه می‌گوید:

حیات برای انجام چیزی که خودش می‌خواهد و نه چیزی که شما می‌خواهید، بهینه شده است.

پژوهشگران آخرین شاهکار مهندسی DNA مصنوعی را به نمایش گذاشتند: یک سیستم سنتزی هشت حرفی که DNAی هاچیموجی نامیده می‌شود

استیون باربر برای دهه‌ها برای درک اینکه آیا چهار حرف شیمیایی طی یک تصادف ساده تبدیل به زبان زندگی شده‌اند یا نه، در تلاش برای ایجاد سیستم‌های داروینی مصنوعی بوده است. فلوید رومسبرگ زیست‌شناس مؤسسه‌ی اسکریپس در کالیفرنیا که در این پژوهش مشارکتی نداشته، اما جداگانه یک زبان ژنتیک مصنوعی را ایجاد کرده است، می‌گوید:

این مقاله برای نخستین بار به این پرسش، پاسخی قطعی می‌دهد. برای مدت‌زمان طولانی، ما بر این عقیده بودیم که حیات از چهار باز آدنین، تیمین، سیتوزین و گوانین تکامل یافته است، نه به‌خاطر اینکه آن‌ها دقیقا همان مواد خام درست بودند بلکه به‌خاطر اینکه آن‌ها به‌سادگی در دسترس بودند. چهار حرف استیو (S، P، Z و B) حداقل از نظر پایداری معادل چهار حرف طبیعی هستند.

اکنون، سؤال این است که آیا افزایش این کدهای تصادفی موجب بهتر شدن DNA می‌شود. ازلحاظ تئوری، داشتن کدهای بیشتر به‌معنای امکان ایجاد ملکول‌های جدیدی است که در طبیعت وجود ندارند و هرکدام از آن‌ها می‌توانند در تولید مواد جدید، تشخیص بیماری یا توسعه‌ی داروهای جدید مفید باشند. یک الفبای چهار حرفی، به شما ۶۴ کدون ممکن می‌دهد که می‌تواند ۲۰ اسیدآمینه تولید کند (واحدهای ساختمانی پروتئین‌ها). با ۶ حرف الفبا تعداد کدون‌ها به ۲۵۶ می‌رسد و با هشت حرف، ۴۰۹۶ کدون خواهیم داشت. اما این عمدتا بی‌مفهوم است مگر اینکه کسی بتواند یک دستگاه سلولی ایجاد کند که بتواند هاچیموجی را بخواند و براساس آن پروتئین‌های سنتزی با عملکردهای جدیدی بسازد.

فکر کنید این ۲۰ اسیدآمینه آجرهایی برای ساخت یک ساختمان هستند. آن‌ها برای ساخت خانه‌های دوطبقه خوب هستند اما اگر بخواهید آسمان‌خراش بسازید چطور؟ این، همان جایی است که متخصصان بیوشیمی مانند اندرو الینگتون وارد می‌شوند. در آزمایشگاه او در دانشگاه تگزاس، آنزیم‌هایی تولید شده است که می‌توانند DNAی هاچیموجی را به RNA تبدیل کنند؛ نخستین گام در جهت ساخت پروتئین.

او و همکارانشان از این شیوه برای ساخت رشته‌هایی از RNAی مصنوعی که شبیه توالی است که در اسفنج یافت می‌شود و وقتی با یک ملکول کوچک پیوند برقرار می‌کند، درست مانند همتای طبیعی خود، دارای درخشش سبزرنگی می‌شود، استفاده کردند. بنر می‌گوید که آن‌ها RNAی هاچیموجی ساخته‌اند که می‌تواند در محیط آزمایشگاه سلول‌های سرطانی تومورهای کبد و سینه را پیدا کرده و به آن‌ها متصل شود. او امیدوار است که در بلندمدت هاچیموجی بتواند در تشخیص سرطان‌ها، ویروس‌ها یا حتی سموم محیطی سودمند باشد. بنر قصد دارد که حروف دیگری نیز به این ساختارها اضافه کند و می‌گوید می‌خواهد به‌زودی هاچیموجی خود را روی سلول‌های زنده مورد آزمایش قرار دهد.

اما رومسبرگ می‌گوید که او با همکاری شرکتی به نام سینتروکس (Synthorx)، توانسته است به‌طور موفقیت‌آمیزی الفبای ۶ حرفی خود را هم در سلول‌های انسانی و هم سلول‌های همستر آزمایش کند. این شرکت در حال بررسی امکان فریب دادن سلول‌های نیمه‌سنتزی برای تکامل درجهت تولید پروتئین‌ها یا ملکول‌های دیگری برای مبارزه با سرطان و دیگر بیماری‌ها است.

اگرچه چالش واقعی، زیرساخت‌های بیولوژیک عظیمی است که برای استفاده از زبان‌های ژنتیکی جدید به آن‌ها نیاز است. به‌گفته‌ی بنر، هرچه الفبای یک زبان غیرطبیعی بیشتر شود، شما به مهندسی ابزارهای بیشتری برای استفاده از آن نیاز خواهید داشت. به‌همین دلیل است که الینگتون معتقد است که این ابزارها در علم درحال پیشرفتِ ذخیره‌سازی داده‌های DNA به‌سرعت مورد استفاده قرار خواهد گرفت. شرکت‌های بزرگ فناوری درحال ارزیابی این موضوع هستند که آیا نوکلئوتیدها می‌توانند از لحاظ ذخیره‌سازی بلندمدت و آرشیوی اطلاعات با سیلیکون رقابت کنند. تراکم اطلاعات در DNA قابل‌توجه است و هاچیموجی ظرفیت ذخیره‌ی اطلاعات آن را دوبرابر می‌کند. آزمایشگاه الینگتون درحال مهندسی کتابخانه‌ای از آنزیم‌ها برای خواندن و نوشتن نه‌تنها DNAی طبیعی و هاچیموجی بلکه همچنین هر نوع از آلفبایی که در آینده معرفی شود، است. او می‌گوید:

ما به آن به‌عنوان «کریپتوژنتیک» فکر می‌کنیم. هدف ما ساخت ماشین مورد نیاز برای خواندن و نوشتن زبان‌های اختصاصی DNA است. با استفاده از کریپتوژنتیک، شرکتIBM و هر شرکت دیگری می‌تواند الفبای اختصاصی ژنتیکی خود را داشته باشد که فرد دیگری قادر به ترجمه‌ی آن نباشد. یک الفبای گسترش‌یافته به شما فرصت ساخت چیزهای بزرگ‌تر، بهتر، قوی‌تر و سریع‌تر را می‌دهد.