قد يعتقد البعض أن هذا مستحيلًا! لكن، في عام 2010 استطاع العلماء ابتكار أول كائن حي في العالم يحتوي على شيفرة حمض نووي اصطناعية بالكامل ومعدلة جذريًا من جينوم أصغر من بكتيريا إيكولاي، وهي البكتيريا التي توجد في التربة والأمعاء البشرية، حيث يشبه هذا الجينوم البكتيريا الطبيعية. تم تصنيع الميكروب مخبريًّا في مختبر البيولوجيا الجزيئية التابع لمجلس البحوث الطبية في كامبريدج لكنه يعيش ضمن مجموعة صغيرة من التعليمات الجينية. لمدة عامين، قام الباحثون في المختبر بدراسة وإعادة تصميم الحمض النووي لبكتيريا Escherichia coli (إي كولاي)، قبل تكوين خلايا بنسخة تركيبية من الجينوم المعدل.
يحتوي الجينوم الاصطناعي على 4 ملايين زوج أساسي، ووحدات الشفرة الوراثية مكتوبة بالأحرف G وA وT وC. مما يجعل الجينوم الأكبر حتى الآن لدى العلماء من أي وقت مضى. يحمل الحمض النووي الملفوف داخل الخلية التعليمات التي يحتاجها ليعمل. عندما تحتاج الخلية إلى مزيد من البروتين لتنمو، فيمكنها أن تقرأ الحمض النووي الذي يشفر البروتين الصحيح. تتم قراءة أحرف الحمض النووي في ثلاثيات تسمى الأكوا، مثل TCG وTCA. كل أشكال الحياة تقريبًا، من قناديل البحر إلى البشر، تستخدم 64 كودونًا. لكن الكثير منهم يقومون بنفس الوظيفة. في المجموع، ينتج 61 كودونًا 20 حمضًا أمينيًا طبيعيًا، والتي يمكن ربطها معًا مثل الخرز على سلسلة لبناء أي بروتين في الطبيعة. هناك ثلاث أكواد أخرى في الواقع والتي تعتبر علامات توقف، أي تخبر الخلية عندما ينتهي البروتين، بما يشبه النقطة في نهاية هذه الجملة والتي تشير إلى وجوب التوقف الكامل.
شرع فريق كامبريدج في إعادة تصميم جينوم الإشريكية القولونية عن طريق إزالة بعض أكواده الزائدة عن الحاجة. من خلال العمل على جهاز كمبيوتر، قام العلماء بفحص الحمض النووي للخلل. كلما صادفوا TCG، وهو كودون يصنع حمض أميني يسمى سيرين، يعيدون كتابته على أنه AGC، والذي يقوم بنفس الوظيفة. لقد استبدلوا اثنين من الكودونات بطريقة مماثلة. بعد أكثر من 18000 تعديل، أزال العلماء كل تكرار للشفرات الثلاثة من جينوم الإشريكية القولونية. تم بعد ذلك تصنيع الكود الجيني المعاد تصميمه كيميائيًا وإضافته قطعة قطعة إلى الإشريكية القولونية حيث حلت محل الجينوم الطبيعي للكائن الحي. والنتيجة هي ميكروب له شفرة DNA اصطناعية تمامًا ومتغيرة جذريًا. يُعرف باسم Syn61، الخطأ أطول قليلاً من المعتاد، وينمو بشكل أبطأ، لكنه لا يزال على قيد الحياة.
يعتقد تشين، من فريق البحث، أن أشكال الحياة هذه يمكن أن تكون مفيدة. نظرًا لاختلاف الحمض النووي الخاص بهم، فإن الفيروسات الغازية ستكافح للانتشار داخلها، مما يجعلها في الواقع مقاومة للفيروسات. تُستخدم الإشريكية القولونية بالفعل في صناعة المستحضرات الصيدلانية الحيوية لصنع الأنسولين لمرض السكري والمركبات الطبية الأخرى للسرطان والتصلب المتعدد والنوبات القلبية وأمراض العيون، ولكن يمكن إفساد عمليات الإنتاج بأكملها عندما تكون البيئات البكتيرية ملوثة بالفيروسات أو الميكروبات الأخرى. لكن هذا ليس كل شيء: في العمل المستقبلي، يمكن إعادة استخدام الشفرة الجينية المحررة لجعل الخلايا تنتج الإنزيمات والبروتينات والأدوية المصممة.
قال توم إليس، الباحث في علم الأحياء التركيبية في إمبريال، "لقد نقلوا مجال الجينوميات الاصطناعية إلى مستوى جديد، ولم يكتفوا ببناء أكبر جينوم اصطناعي على الإطلاق بنجاح فحسب، بل قاموا أيضًا بإجراء معظم التغييرات في الترميز على الجينوم حتى الآن". لكن السجلات قد لا تدوم طويلاً. يقوم إليس وآخرون ببناء جينوم اصطناعي لخميرة الخباز، بينما يصنع علماء هارفارد جينومات بكتيرية مع مزيد من التغييرات في الترميز. وأضاف إليس أن البكتيريا القولونية المعاد تصميمها لا تنمو مثل السلالات الطبيعية وهذا لا ليس مفاجئًا قال: "إذا كان أي شيء يثير الدهشة، فإنه ينمو على الإطلاق بعد العديد من التغييرات".
في عام 2017، قام العلماء بتخليق 6 من أصل 16 كروموسوم لفطر الخميرة، وهي الهياكل الجزيئية الحاملة للجينات. قامت المجموعة في معهد جي كريج فينتر في روكفيل، ميريلاند، بتوليف خيوط قصيرة من الحمض النووي كيميائيًا وربطها معًا لإنشاء نسخة من جينوم الحمض النووي المكون من 1.1 مليون زوج قاعدي لبكتيريا الميكوبلازما mycoides، والتي تم إدخالها بعد ذلك في خلية متلقية. كتب الفريق بضع "علامات مائية" مشفرة في تسلسل الجينوم، مع بعض التعديلات وبعض التغييرات الأخرى، كان جينوم M. mycoides الاصطناعية مطابقًا لمخططه. قرر العلماء حذف تسلسلات معينة من الحمض النووي من كروموسومهم الاصطناعي، مثل العناصر التي لها القدرة على التحرك حول الجينوم، والمعروفة باسم الينقولات، والأقسام داخل الجينات التي لا تشفر البروتينات، والتي تسمى الإنترونات. كما قاموا بإدخال نظام "التدافع" - الذي يخلط الجينات ويزيلها - لتوفير طريقة لاختبار ما إذا كان جين معين ضروريًا للبقاء. يقوم كل باحث من الطلاب بعمل امتداد خاص به من جينوم الخميرة، والذي يتضمن تجميع أطوال قصيرة جدًا من الحمض النووي التي تم إنشاؤها بواسطة آلة تخليق الحمض النووي إلى قطع أكبر من أي وقت مضى. ثم يتم دمج هذه القطع في كروموسوم الخميرة، من خلال عملية تسمى إعادة التركيب المتماثل. في النهاية، نتج عن هذا كروموسوم اصطناعي بالكامل.
قال عالم الوراثة جورج تشيرش من جامعة هارفارد، والذي لم يشارك في البحث: "لقد تعاملوا مع بعض من أصعب الأمور. الثلثين الآخرين من جينوم الخميرة سيحدث بشكل أسرع بكثير. " وفي السنوات الأخيرة، حقق العلماء قفزات نوعية في تعديل الحمض النووي بفضل تقنية كريسبر-كاس 9 (9CRISPR-Cas)، مما مكنهم من القيام بأشياء مثل منع تأكسد التفاح أي تحولها إلى اللون البني، ومنع إعادة الإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية عن طريق تحرير الفيروس من الخلايا البشرية - ولكن هذه المرة، كان الهدف هو لإنتاج كائن كامل وحيد الخلية في المختبر. لكن هذا الهدف صعب وبعيد المنال، فأول خطوة للعلماء هو تعلم كيفية كتابة الكود الفعال الذي يمكن أن يشكل كائن صناعي وظيفي.
إذا استطاع الفريق القيام بذلك، فسيتم تصنيع أول جينوم لكائن حقيقي النواة، ببناء كروموسومات الخميرة من الأساسيات الكيميائية الأربعة للحمض النووي: الأدينين والسيتوزين والجوانين والثيامين. وفي كل مرحلة سيتم استبدال الكروموسومات الطبيعية بعناية بأخرى مصنوعة في المختبر، ثم يتم اختبار الخميرة لمعرفة ما إذا كانت لا تزال تعمل كما ينبغي، من خلال استخدام البرنامج الحاسوب BioStudio، وتحديد أي "أخطاء" في الشيفرة وإصلاحها قبل الانتقال إلى المرحلة التالية. وضّح قائد المشروع جيف بويك، من كلية الطب بجامعة نيويورك: "إننا نتبادل الشيفرة بشكل أساسي، إذا صح التعبير، في خلية خميرة حية بنوع من إصدار القرن الحادي والعشرين من نظام التشغيل". يتأمل العلماء باستخدام الكائنات المصنعة مستقبلًا كمصانع مخصصة مصغرة، لضخ الأدوية المعالجة للأمراض، وإنتاج أنواع مختلفة من الوقود الحيوي.
في الوقت الحالي، يهدف العلماء إلى إنتاج كروموسومات الخميرة الخاصة بهم والتي تعمل بنفس طريقة عمل الكروموسومات الطبيعية، مع إضافة بعض التعديلات - مثل تبديل الجينات لتسهيل تعديل الحمض النووي، وإخراج أي كود فائض عن الحاجة. يقول فينتر وزملاؤه: "هذا العمل هو مثال رائع آخر على كيفية استخدام البيولوجيا التركيبية لإعادة كتابة تسلسلات الكروموسوم على نطاق كبير. هذا العمل هو مقدمة وتوضيح جدوى إعادة بناء أو تبسيط مكثف للكروموسومات الأخرى. "
المراجع:
62 مشاهدة
