ساخت ژنوم مصنوعی که خود را تکثیر میکند
زوميت/ پژوهشگران مؤسسهي ماکس پلانک آلمان موفق شدهاند ژنومي مصنوعي بسازند که DNA و واحدهاي سازندهي پروتئين خود را ميتواند بازتوليد کند. زيستشناسي مصنوعي نهتنها فرايندهاي حيات را مشاهده و توصيف ميکند؛ بلکه از آنها نيز تقليد ميکند. يکي از ويژگيهاي مهم حيات توانايي تکثير محسوب ميشود و اين بهمعناي حفظ سيستم شيميايي است. دانشمندان مؤسسهي بيوشيميايي ماکس پلانک آلمان سيستمي ساختهاند که ميتواند بخشهايي از DNA و واحدهاي ساختماني پروتئين خود را بازتوليد کند. پژوهشگران حوزهي زيستشناسي مصنوعي فرايندهاي «پايين به بالا» را بررسي ميکنند که بهمعناي توليد سيستمهاي تقليدکنندهي زندگي با استفاده از واحدهاي ساختماني بيجان است. يکي از ويژگيهاي اساسي تمامي موجودات زنده قدرت حفظ و تکثير خود بهعنوان وجودي متمايز است. بااينحال، رويکرد مصنوعي پايين به بالا براي ايجاد سيستمي که بتواند خود را تکثير کند، چالش تجربي بزرگي است. دانشمندان نخستينبار بر اين مانع غلبه کرده و چنين سيستمي ساختهاند. هانس ماشلر، رئيس گروه پژوهشي سيستمهاي بيوميمتيک در مؤسسهي ماکس پلانک، همراهبا ديگر اعضاي گروهش روي تقليد از تکثير ژنومها و سنتز پروتئينها با رويکردي پايين به بالا کار ميکنند. هر دو اين فرايندها براي حفظ و توليدمثل سيستمهاي بيولوژيکي اساسي هستند. اين پژوهشگران موفق شدهاند سيستمي درونآزمايشگاهي بسازند که در آن، هر دو فرايند ميتواند همزمان انجام شود. ماشلر توضيح ميدهد: پژوهشگران براي آغاز فرايند مذکور به دستور ساخت و دستگاههاي مولکولي و مواد مغذي مختلفي نياز داشتند. فرايند ترجمه در بيولوژي بهمعناي اين است که دستور ساخت قطعه DNA حاوي اطلاعات لازم براي توليد پروتئينها است. پروتئينها معمولا بهعنوان ماشينهاي مولکولي شناخته ميشوند؛ زيرا اغلب بهعنوان کاتاليزور عمل و واکنشهاي بيولوژيکي را در موجودات زنده تسريع ميکنند. واحدهاي ساختماني اصلي DNA نوکلئوتيدها هستند و پروتئينها نيز از اسيدهاي آمينه ساخته ميشوند. فاکتورهاي ترجمهي ژنوم مصنوعي از باکتري اشريشياي کلي ميآيند. اين پروتئينها براي ترجمهي دستورهاي موجود در توالي DNA به پروتئين مهم است؛ بنابراين، براي سيستمهاي خودتکثيرکننده نيز ضروري هستند. پژوهشگران سيستم بيان درونآزمايشگاهي را ايجاد کردند که پروتئينها را براساس الگوي DNA سنتز ميکند. سيستم بيان درونآزمايشگاهي اکنون ميتواند بهطور بسيار کارآمدي پروتئينهاي معروف به DNA پليمراز را بسازد و اين DNA پليمرازها با استفاده از نوکلئوتيدها DNA را تکثير ميکنند. کاي ليبيکر، نويسندهي نخست مقاله، توضيح ميدهد: برخلاف مطالعات گذشته، سيستم ما ميتواند قطعات نسبتا طولاني از DNA را بخواند و نسخهبرداري کند. دانشمندان با استفاده از ۱۱ قطعهي حلقهمانند، از DNA ژنومهاي مصنوعي را مونتاژ کردند. اين ساختار چندبخشي به آنها اجازه داد قطعات خاصي از DNA را بهآساني درج يا حذف کنند. بزرگترين ژنوم چندبخشي ساختهشده در اين مطالعه شامل بيش از ۱۱۶ هزار جفت باز بود که به طول ژنوم سلولهاي بسيار ساده ميرسد. بازتوليد پروتئينها ژنوم مصنوعي علاوهبر رمزگذاري پليمرازها که براي تکثير DNA مهم هستند، حاوي الگوهايي براي ساخت پروتئينهاي ديگري مانند ۳۰ فاکتور ترجمه است که از باکتري اشريشياي کلي نشئت گرفتهاند. عوامل ترجمه براي ترجمهي الگوي DNA به پروتئينهاي مرتبط مهم هستند؛ بنابراين، براي سيستمهاي خودتکثيرکننده ضروي بهشمار ميآيند که از فرايندهاي بيوشيميايي تقليد ميکنند. پژوهشگران براي نشاندادن اين موضوع که سيستم بيان درونآزمايشگاهي آنها نهتنها ميتواند DNA را تکثير کند؛ بلکه ميتواند فاکتورهاي ترجمه را نيز توليد کند، از طيفسنجي جرمي استفاده کردند. آنها بهکمک اين روش مقدار پروتئين توليدشدهي سيستم را تعيين کردند. در کمال شگفتي، برخي از فاکتورهاي ترجمه حتي پس از واکنش، در مقادير بيشتري از آن چيزي حضور داشتند که قبلا افزوده شده بود. بهگفتهي پژوهشگران، اين موفقيت گامي مهم بهسوي ايجاد سيستمي خودتکثيرکننده است که از فرايندهاي بيولوژيکي تقليد ميکند. دانشمندان قصد دارند در آينده، ژنوم مصنوعي را با افزودن بخشهاي ديگري از DNA گسترش دهند. آنها ميخواهند با همکاري همکاراني از شبکهي پژوهشي MaxSynBio، سيستم پوششداري توليد کنند که بتواند با افزودن مواد مغذي و دفع مواد زائد زنده بماند. چنين سلولي کاربردهاي مختلفي خواهد داشت؛ مثلا ميتواند در بيوتکنولوژي بهعنوان ماشيني براي توليد اختصاصي مواد طبيعي با بهعنوان پلتفرمي براي ساخت سيستمهاي شبهزنده پيچيدهتر استفاده شود. نتايج اين مطالعه در مجله Nature communicatins منتشر شده است.