ساخت اولین ژنوم باکتریایی با استفاده از کامپیوتر

به‌لطف تلاش‌های دانشمندان، روشی جدید توسعه داده شده که به‌طرز درخورتوجه‌ای روند تولید مولکول‌های بزرگ DNA را ساده می‌کند که شامل صدها ژن هستند. با استفاه از این روش، آن‌ها اولین ژنوم باکتری را ساختند که الگوریتمی رایانه‌ای آن را کاملا طراحی کرده بود. این روش ظرفیت این را دارد که علم زیست‌فناوری را به‌طورکلی دگرگون کند.

همه‌ی توالی‌های ژنوم شناخته‌شده در سراسر جهان در پایگاه داده‌ای متعلق به مرکز ملی اطلاعات بیوتکنولوژی در ایالات متحده‌ی آمریکا ذخیره می‌شوند. از امروز، این پایگاه داده ورودی جدیدی دارد: کالوباکتر اتنسیس 2.0. این اولین ژنوم تولیدشده‌ی رایانه از اندامگان زنده‌ای است که دانشمندان دانشگاه ETH واقع در زوریخ آن را توسعه داده‌اند. بااین‌حال، باید به این موضوع تأکید شود که ژنوم کالوباکتر اتنسیس 2.0 ازلحاظ فیزیکی به‌شکل مولکول DNA بسیار بزرگی تولید شده است؛ اما اندامگان مرتبط هنوز وجود ندارد.

کالوباکتر اتنسیس 2.0 براساس ژنوم باکتری بی‌آزار آب‌شیرینی ساخته شده که روی آن مطالعه شده است. این باکتری که «کالوباکتر کرسنتوس» نام دارد، به‌طور طبیعی در آب چشمه‌ها و رودخانه‌ها و دریاچه‌ها در سراسر دنیا یافت می‌شود. کالوباکتر کرسنتوس باعث ایجاد بیماری نمی‌شود و اندامگان نمونه‌ای است که در آزمایشگاه‌ها برای مطالعه‌ی زندگی باکتری‌ها استفاده می‌شود. ژنوم این باکتری شامل ۴,۰۰۰ ژن است. دانشمندان قبلا نشان دادند تنها ۶۸۰ مورد از این ژن‌ها برای بقای این‌ گونه در آزمایشگاه ضروری هستند. باکتری‌ها با این مقدار ژنوم حداقلی در شرایط آزمایشگاهی دوام می‌آورند.

کالوباکتر کرسنتوس باکتری بی‌آزاری است که در آب‌های شیرین سرتاسر دنیا یافت می‌شود

بیت کریستین، استاد دانشگاه ETH زوریخ و برارش متیاس کریستین، شیمی‌دان دانشگاه ETH زوریخ، حداقل ژنوم کالوباکتر کرسنتوس را به‌عنوان نقطه‌ی شروع در نظر گرفتند. آن‌ها این ژنوم را از خراشی به‌عنوان کروموزومی حلقوی به‌طور شیمیایی سنتز کردند. براساس گزارش رسانه‌ها، سنتز شیمیایی ژنوم باکتری‌ها را ۱۱ سال پیش کریگ ونتر، دانشمند آمریکایی پیش‌گام در علم ژنتیک، ارائه کرد که نتیجه‌ی ۱۰ سال تلاش ۲۰ نفر دانشمند بود. هزینه این پروژه مبلغی معادل ۴۰ میلیون دلار بوده است.

درحالی‌که گروه ونتر کپی دقیقی از ژنوم طبیعی ساخته‌اند، پژوهشگران دانشگاه ETH ژنوم خود را با استفاده از الگوریتم کامپیوتری تغییر دادند. انگیزه‌ی آن‌ها برای انجام این کار به دو دسته تقسیم می‌شد:

• آسان‌ترکردن روند ساخت ژنوم‌ها
• پاسخ‌ به پرسش‌های بنیادی علم زیست‌شناسی

برای ایجاد یک مولکول DNA به بزرگی یک ژنوم باکتری، دانشمندان باید گام‌به‌گام پیش بروند. درباره‌ی ژنوم کالوباکتر، دانشمندان این دانشگاه ۲۳۶ بخش ژنوم را سنتز کردند که آن‌ها بعدا باهم ترکیب شدند. متیاس کریستین دراین‌باره گفت:

سنتز ردن این ژنوم‌ها همیشه آسان نیست. مولکول‌های DNA نه‌تنها این توانایی را دارند که به دیگر مولکول‌های DNA بچسبند؛ بلکه بسته به توالی، آن‌ها همچنین می‌توانند خود را به حلقه‌ها و گره‌هایی متصل کنند که می‌تواند فرایند تولید را مختل یا تولید را غیرممکن کنند. 

برای سنتزکردن بخش‌های ژنوم به ساده‌ترین شکل ممکن و سپس پیونددادن تمام بخش‌ها به‌شیوه‌ای ساده به‌هم، دانشمندان به‌طور کامل توالی ژنوم را بدون تغییر اطلاعات ژنتیکی واقعی در سطح پروتئین ساده کردند. آزادیِ‌عمل فراوانی برای ساده‌سازی ژنوم‌ها وجود دارد؛ زیرا زیست‌شناسی افزونگی‌هایی برای ذخیره‌ی اطلاعات ژنتیکی دارد. به‌عنوان مثال، برای بسیاری از اجزای پروتئین (آمینواسیدها)، دو یا چهار یا حتی بیشتر از این تعداد امکان برای نوشتن اطلاعاتشان در DNA وجود دارد.

الگوریتم ارائه‌شده‌ی دانشمندان در دانشگاه ETH زوریخ از این افزونگی کد ژنتیکی استفاده بهینه می‌کند. با استفاده از این الگوریتم، پژوهشگران توالی ایده‌آل DNA را برای سنتزکردن و ساخت ژنوم محاسبه کردند که آن‌ها درنهایت، از آن برای کار خود استفاده کردند. درنتیجه، دانشمندان تعداد زیادی تغییر کوچک را در حداقل ژنوم ایجاد کردند که درمجموع تأثیرگذار هستند: بیش از یک‌ششم از تمام ۸۰۰,۰۰۰ حرف DNA در ژنوم مصنوعی در‌مقایسه‌با حداقل ژنوم طبیعی جایگزین شدند. بیت کریستین دراین‌باره گفت:

ازطریق این الگوریتم، ژنوم خود را به توالی جدیدی از حروف DNA کاملا بازنویسی کردیم که دیگر مشابه توالی اصلی نیست. باوجوداین، عملکرد زیستی آن در سطح پروتئین یکسان باقی مانده است.

ژنوم بازنویسی‌شده از دیدگاه زیست‌شناسی جالب است. بیت کریستین دراین‌باره توضیح داد:

روش ما مانند آزمایش لیتموس است برای اینکه ببینیم زیست‌شناسان به‌درستی ژنتیک را درک کرده‌اند یا خیر و به ما این امکان را می‌دهد که شکاف‌های احتمالی در دانش خود را بیابیم.

به‌طور طبیعی ژنوم بازنویسی‌شده فقط می‌تواند اطلاعاتی را شامل شود که پژوهشگران درواقع آن‌ها را درک کرده‌اند. اطلاعات اضافی پنهان که ممکن است در توالی DNA وجود داشته باشند و هنوز دانشمندان آن‌ها را نشناخته‌اند، در فرایند ایجاد این کد جدید در نظر گرفته نشده‌اند.

برای اهداف پژوهشی دانشمندان گونه‌ای از باکتری‌ها را تولید کردند که ژنوم طبیعی کالوباکتر و نیز بخش‌هایی از ژنوم مصنوعی جدید را شامل می‌شد. پژوهشگران با خاموش‌کردن ژن‌های طبیعی خاصی در این باکتری توانستند عملکرد ژن‌های مصنوعی را آزمایش کنند. آن‌ها هرکدام از این ژن‌های مصنوعی را در فرایندی چندمرحله‌ای آزمایش کردند.

 در این آزمایش‌ها، پژوهشگران دریافتند فقط ۵۸۰ ژن از ۶۸۰ ژن مصنوعی عملکرد مناسبی دارند. بیت کریستین دراین‌‌زمینه گفت:

با دانشی که در این حوزه به‌دست آوردیم، برای ما امکان‌پذیر خواهد بود الگوریتم خود را بهبود ببخشیم و نسخه سوم ژنوم‌هایی با عملکرد کامل را توسعه دهیم.

متیاس کریستین گفت:

اگرچه نسخه فعلی ژنوم هنوز بی‌نقص و کامل نیست، کار ما نشان می‌دهد سیستم‌های بیولوژیکی به روشی ساده ساخته می‌شوند که در آینده، قادر خواهیم بود باتوجه‌به اهدافمان، مشخصات دلخواهمان را روی کامپیوتر طراحی کنیم و سپس، آن‌ها را بسازیم. 

آنچه با روش کریگ ونتر ۱۰ سال طول کشید، گروه کوچک ما با این فناوری جدید توانست در مدت یک سال به آن دست یابد که هزینه‌ای معادل ۱۲۰,۰۰۰ فرانک سوئیس داشت. ما باور داریم ایجاد سلول‌های فعال باکتریایی با چنین ژنومی نیز به‌زودی امکان‌پذیر خواهد بود.

چنین توسعه‌ای ممکن است ظرفیت درخورتوجهی داشته باشد. از بین کاربردهای احتمالی آینده‌ی این روش، می‌توان به میکروارگانیسم‌های مصنوعی اشاره کرد که می‌توانند در بیوتکنولوژی برای تولید مولکول‌های پیچیده دارویی فعال یا ویتامین‌ها به‌کار گرفته شوند. همچنین، این فناوری می‌تواند برای تولید همه‌ی میکروارگانیسم‌ها و نه‌تنها کالوباکترها استفاده شود. کاربرد احتمالی دیگر این فناوری، تولید واکسن های DNA خواهد بود. هرچه نتایج این پژوهش و کاربردهای احتمالی آن امیدوارکننده باشد، استفاده از آن نیازمند بحثی عمیق در جامعه درباره‌ی اهداف این فناوری و درعین‌حال، روش‌های پیشگیری از سوءاستفاده‌های احتمالی آن است. بیت کریستین دراین‌باره گفت:

هنوز مشخص نیست اولین باکتری با ژنوم مصنوعی چه زمانی تولید خواهد شد؛ اما اکنون واضح است که این باکتری می‌تواند تولید شود. ما باید از این زمان برای بحث‌های متمرکز در میان دانشمندان و نیز در جامعه استفاده کنیم. ما برای شرکت و کمک به ایجاد این بحث با همه‌ی دانشمان آماده‌ایم.