دانشمندان ارگانیسمی با ژنوم کاملا مصنوعی خلق کردند

دانشمندان موجود زنده‌ای ایجاد کردند که DNA آن کاملا ساخته‌ی دست بشر است. این ارگانیسم شاید فرم جدیدی از زندگی باشد و کارشناسان بر این باورند که این پیشرفت نقطه عطفی در زمینه‌ی زیست‌شناسی مصنوعی محسوب می‌شود. پژوهشگران دانشگاه کمبریج به‌تازگی گزارش کردند که آن‌ها DNA نوعی باکتری به‌نام «اشرشیا کلی» را بازنویسی کرده و ژنومی مصنوعی ساخته‌اند که چهار برابر بزرگ‌تر و بسیار پیچیده‌تر از نمونه‌هایی است که قبلا ساخته شده است. این باکتری‌ها زنده‌ هستند هرچند شکل غیرعادی دارند و به آهستگی تکثیر می‌شوند، سلول‌های آن‌ها براساس مجموعه‌ای از قوانین بیولوژیکی عمل کرده و پروتئین‌های مربوط‌به کد ژنتیکی بازسازی شده را تولید می‌کنند. این دستاورد ممکن است روزی منجر به ساخت ارگانیسم‌هایی شود که همچون کارخانه‌های زنده‌ای مواد دارویی جدید یا دیگر مولکول‌‌های ارزشمند را تولید کنند. این باکتری مصنوعی همچنین ممکن است سرنخ‌هایی درمورد اینکه چگونه کد ژنتیکی در اوایل پیدایش حیات ایجاد شده است، مهیا کند. تام الیس، مدیر مرکز زیست‌شناسی مصنوعی در کالج سلطنتی لندن که در مطالعه‌ی جدید نقشی نداشته است، می‌گوید:

این نقطه‌ی عطفی است. تا قبل از این کسی کاری با این اندازه و این میزان تغییرات انجام نداده بود.

هر ژن در یک موجود زنده از الفبایی از چهار مولکول‌ بازی به نام آدنین (A)، تیمین (T)، گوانین (G) و سیتوزین (C) ساخته شده است. یک ژن ممکن است از هزاران مولکول‌ بازی تشکیل شده باشد. ژن‌ها سلول را چنان هدایت می‌کنند که از میان ۲۰ اسید آمینه (واحدهای سازنده پروتئین)، اسیدهای آمینه‌ی مورد نیاز را انتخاب کنند. در سلول پروتئین‌ها وظایف زیادی از حمل اکسیژن در خون گرفته تا تولید نیرو در عضلات را بر عهده دارند. ۹ سال پیش، پژوهشگران یک ژنوم مصنوعی را ساختند که دارای طول یک میلیون جفت باز بود. ژنوم جدید اشرشیا کلی که در مجله‌ی Nature گزارش شده است، ۴ میلیون جفت باز طول دارد و با روش‌های کاملا جدیدی ساخته شده است.

یک میکروگراف الکترونی رنگی از باکتری اشرشیا کلی

مطالعه‌ی جدید تحت هدایت جیسون چین زیست‌شناس مولکول‌ی دانشگاه کمبریج در بریتانیا انجام شد. او می‌خواست بداند چرا نحوه‌ی کدگذاری‌های ژنتیکی در تمام موجودات شبیه هم است. تولید هر اسیدآمینه در سلول به‌وسیله‌ی ترتیب سه باز روی رشته‌ی DNA هدایت می‌شود. این توالی‌های سه تایی «کدون» نامیده می‌شوند. برای مثال، کدون TCT تضمین می‌کند که اسیدآمینه‌ای به نام سرین به انتهای پروتئین جدید متصل شود. از آن‌جایی که تنها ۲۰ اسیدآمینه وجود دارد، تصور خواهید کرد که ژنوم برای ساخت آن‌ها فقط به ۲۰ کدون نیاز دارد. اما کد ژنتیکی به‌دلیلی که کسی نمی‌داند، سرشار از افزونگی است. اسیدهای آمینه به‌وسیله‌ی ۶۱ کدون و نه ۲۰ کدون کدگذاری می‌شوند. برای مثال تولید سرین به وسیله‌ی ۶ کدون متفاوت هدایت می‌شود. سه کدون هم کدون‌های پایان نامیده می‌شوند که به رشته‌ی DNA می‌گویند که کجا ساخت اسید آمینه را متوقف کند. همچون بسیاری از دانشمندان دیگر، دکتر چین نیز مسحور این تکرارها بود؛ آیا تمام این قطعه‌هایDNA برای حیات ضروری بوده‌اند؟ دکتر چین گفت:

از آن جایی که در تمام اشکال حیات از هر ۶۴ کدون استفاده می‌شود، ما پاسخی برای این سؤال نداشتیم.

او برای یافتن پاسخ این سؤال تصمیم گرفت موجود زنده‌ی متفاوتی بسازد.

پژوهشگران پس از انجام چندین آزمایش مقدماتی، یک نسخه‌ی تغییر یافته از ژنوم اشرشیا کلی را روی کامپیوتر طراحی کردند که برای تولید تمام اسیدهای آمینه‌ مورد نیاز این ارگاینسم تنها به ۶۱ کدون نیاز داشت. این ژنوم به‌جای اینکه نیاز به ۶ کدون برای ساخت سرین داشته باشد، تنها از ۴ کدون استفاده می‌کرد و به‌جای ۳ کدون پایان تنها ۲ کدون پایان داشت. درواقع پژوهشگران با DNAی اشرشیا کلی همچون یک فایل متن عظیمی رفتار کردند و یک تابع جست‌وجو و جایگزینی در روی بیش از ۱۸۰۰۰ نقطه اجرا کردند.

اکنون دانشمندان الگویی برای ژنوم جدید چهار میلیون بازی در اختیار داشتند. آن‌ها می‌توانستند DNA را در آزمایشگاه سنتز کنند اما وارد کردن آن به باکتری (مخصوصا جایگزینی ژن‌های مصنوعی به‌جای آن‌هایی که طی تکامل ساخته شده بودند)، چالش بزرگی بود. ژنوم بسیار طولانی بود و نمی‌شد با یک حرکت آن را وارد سلول کرد. برای حل این مشکل، پژوهشگران قطعات کوچکی ساختند و آن‌ها را قطعه قطعه جانشین ژنوم باکتری کردند. وقتی این کار تمام شد، دیگر هیچ قطعه طبیعی از DNA وجود نداشت و البته اشرشیا کلی تغییر داده شده، زنده ماند. این باکتری نسبت‌به نمونه‌ی طبیعی، رشد آهسته‌ای داشت، طول آن بیشتر و حالت میله‌ای شکل آن بیشتر شد. دکتر چین امیدوار است که در ادامه بتواند کدون‌های بیشتری را حذف کند و کد ژنتیکی را بیش از این فشرده کند. او می‌خواهد ببیند که چگونه می‌توان در عین حفظ حیات، کدهای ژنتیکی را ساده کرد.

 یک میکروگراف الکترونی رنگی از باکتری مایکوپلاسما مایکوئیدس با ژنوم دارای یک میلیون جفت باز. اکنون دانشمندان یک ژنوم اشرشیا کلی با اندازه‌ی چهار برابر ساخته‌اند

پژوهشگران کمبریج تنها یکی از گروه‌های متعدد پژوهشگرانی هستند که به‌دنبال ساخت ژنوم مصنوعی هستند. فهرست استفاده‌های بالقوه از چنین ژنومی بسیار طولانی است. یک فرصت جذاب این است: ویروس‌ها ممکن است قادر به حمله به سلول‌های مجددا کدگذاری شده نباشند. امروزه بسیاری از شرکت‌ها از میکروب‌های مهندسی ژنتیک شده برای ساخت داروهایی نظیر انسولین یا مواد شیمیایی مفیدی نظیر آنزیم‌های شوینده استفاده می‌کنند. اگر ویروسی مخازن تخمیر را مورد حمله قرار دهد، نتایج فاجعه‌آمیز خواهد بود. یک میکروب با DNAی مصنوعی ممکن است دربرابر چنین حملاتی مصون باشد.

رمزگذاری مجدد DNA همچنین می‌تواند به دانشمندان این امکان را بدهد که سلول‌های مهندسی شده را به طریقی برنامه‌ریزی کنند که در صورت وارد شدن به گونه دیگر، ژن‌های آن‌ها کار نکند. فین استیرلینگ متخصص زیست‌شناسی مصنوعی در مدرسه‌ی پزشکی هاروارد که در پژوهش حاضر مشارکتی نداشته است، می‌گوید:

امکان ساخت یک دیوار امنیتی ژنتیکی وجود دارد.

پژوهشگران همچنین علاقمند به کدگذاری مجدد حیات هستند زیرا این کار مجالی را برای ساخت مولکول‌‌هایی با شیمی کاملا جدید فراهم می‌کند. فراتر از ۲۰ اسید آمینه‌ای که در تمام موجودات زنده استفاده می‌شود، صدها نوع دیگر نیز وجود دارند. یک کد ژنتیکی فشرده با کدون‌های آزاد که دانشمندان می‌توانند از آن برای کدگذاری مجدد واحدهای ساختمانی جدید استفاده کنند، پروتئین‌های جدیدی خواهد ساخت که وظایف جدیدی در بدن انجام خواهند داد. جیمز کویو، پژوهشگر مدرسه‌ی پزشکی هاروارد با اشاره به هزینه‌ی انجام این کار می‌گوید که کنار هم قرار دادن بازها برای ساخت ژنوم بسیار هزینه‌بر است و شاید پژوهشگران دانشگاهی قادر به انجام آن نباشند.

اما اشرشیا کلی نیروی کار پژوهش‌های آزمایشگاهی است و اکنون می‌دانیم که ژنوم آن قابل ساخت است. می‌توان تصور کرد با افزایش تقاضا، قیمت‌ها کاهش پیدا کنند. پژوهشگران می‌توانند روش دکتر چین را روی مخمر یا دیگر گونه‌ها نیز اجرا کنند. آقای استیرلینگ گفت:

ازلحاظ تئوری شما می‌توانید هر چیزی را مجددا کدگذاری کنید.