قبل تسع سنوات، أعلن علماء أمريكيون بقيادة عالم الوراثة كريج فينتر أنهم قاموا بإنتاج الأول
ومع ذلك ، بعد بضع سنوات ، أدرك العلماء ذلكلم يتم تغيير الجينوم البكتيري بشكل جذري. على الرغم من ذلك ، فإن عمل العلماء يمثل بداية لاتجاه جديد في علم الوراثة ، والذي يشارك في إنشاء الكائنات الحية مع الحمض النووي تحريرها بالكامل.
E. coli E. coli
العلماء منمشروع GP-write - لقد تمكنوا بالفعل من إنشاء نسخ اصطناعية لاثنين من الكروموسومات الستة عشر التي تشكل جينوم سلالة واحدة من خميرة الخباز. لكن الحمض النووي للمايكوبلازما mycoides يحتوي على 1.08 مليون زوج قاعدي فقط، وتحتوي كروموسومات الخميرة على أقل من مليون. وتحتوي بكتيريا الإشريكية القولونية التي عمل عليها علماء الوراثة في مختبر البيولوجيا الجزيئية التابع لمجلس البحوث الطبية في إنجلترا في كامبريدج على أربعة ملايين قاعدة.
الباحثون بقيادة الدكتور جيسون تشينقام بتقسيم هذه القواعد الأربعة ملايين من الإشريكية القولونية إلى 37 جزءًا وقام بتركيبها. وتشبه العينة الناتجة نظيراتها الطبيعية، ولكنها تبقى على قيد الحياة بفضل مجموعة أصغر من الأدوات الجينية.
ما هو الحمض النووي ولماذا توليفه
بادئ ذي بدء، من المفيد أن نفهم ما هو الحمض النووي. وهو حمض الديوكسي ريبونوكلييك، وهو المادة الوراثية للإنسان وجميع الكائنات الحية.
تقريبا كل خلية في جسم الإنسان لديها واحدة ونفس الحمض النووي. معظم حمض الديوكسي ريبونوكلييك موجود في نواة الخلية (يُسمى الحمض النووي النووي) ، ولكنه موجود بكمية صغيرة في الميتوكوندريا.
يتم تخزين المعلومات في الحمض النووي كرمز يتكونمن القواعد الكيميائية الأربعة: الأدينين (A) ، الجوانين (G) ، السيتوزين (C) ، والثيمين (T). يتكون الجينوم البشري من حوالي 3 مليارات قاعدة ، وأكثر من 99 ٪ من هذه القواعد هي نفسها لجميع الناس. يحدد ترتيبها وتسلسلها كيفية بناء الجسم وصيانته - تمامًا مثلما يتم بناء الحروف الأبجدية بترتيب معين ، حيث تشكل الكلمات والجمل.
قواعد الحمض النووي تقترن مع بعضها البعض -على سبيل المثال، A مع T وC مع G لتكوين وحدات تسمى الأزواج الأساسية. ترتبط كل قاعدة أيضًا بجزيء سكر وجزيء فوسفات. تسمى القاعدة والسكر والفوسفات معًا بالنيوكليوتيدات.
يتم ترتيب النيوكليوتيدات على شكل شريطين طويلين يشكلان حلزونًا مزدوجًا - هكذا اعتدنا على التفكير في الحمض النووي.
DNA
يذكرنا هيكل اللولب المزدوج إلى حد ما بالسلم: تشكل الأزواج القاعدية خطوات ، وتشكل جزيئات السكر والفوسفات أجزاء جانبية رأسية.
الحمض النووي مطوية في خلية تحتوي على تعليماتضروري لعملها. على سبيل المثال ، عندما تحتاج الخلية إلى مزيد من البروتين لتنمو ، فإنها تقرأ الحمض النووي الذي يشفر البروتين المطلوب. تسمى هذه المركبات الكودونات وتتم كتابتها بثلاثة أحرف - على سبيل المثال ، TCG و TCA.
جميع أشكال الحياة تقريبًا، من قنديل البحر إلى البشر،استخدم 64 رمزًا. لكن الكثير منهم يقومون بنفس الوظيفة أو يكررون وظائفهم. يشكل إجمالي 61 كودونًا 20 حمضًا أمينيًا طبيعيًا يمكن ربطها معًا مثل الخرز في خيط لتكوين أي بروتين في الطبيعة. تعمل ثلاثة كودونات أخرى كنوع من المكابح، فهي تخبر الخلية عندما يكون البروتين جاهزًا ويحتاج إلى التوقف عن تصنيعه.
تستخدم الكودونات لتحديد الأحماض الأمينيةمكونات البروتينات التي تنتجها. على سبيل المثال، يُعرّف TCA السيرين، وهو ما يعني "إخراج هذا الحمض الأميني من مرق الخلية وربطه بالبروتين الذي تصنعه الخلية". AAG يكتشف اللايسين. TAA يعني وقف إضافة الأحماض الأمينية إلى البروتين المتنامي. لكن AGT تعني أيضًا سيرين، كما هو الحال مع AGC وTCT وTCC وTCG. لو كانت الطبيعة فعالة، لاستخدمت 20 كودونًا لـ 20 حمضًا أمينيًا، بالإضافة إلى رمز واحد لـ "التوقف".
حاول الباحثون إنشاء مثل هذا الكائن الأمثل.
ماذا فعلت بالضبط علم الوراثة
قام مجموعة من العلماء من كامبريدج بدراسة الأمر برمتهالشفرة الوراثية لسلالة E. coli وتحليل وظائف جميع الكودونات. بعد ذلك، استبدل الباحثون كودون السيرين بـ AGC، وكل TCA (سيرين أيضًا) بـ AGT، وكل TAG (كودون التوقف) بـ TAA.
في المجموع ، ساهموا في الحمض النووي لل E. coli 18 214 edits - كان الجينوم الناتج أكبر كتلة DNA التي تم إنشاؤها بواسطة الانصهار الصناعي. على الورق ، يبدو تسجيل الجينوم المحرر وكأن الباحثين قرروا استبدال كلمة شائعة جدًا في نسخة رقمية من رواية الحرب والسلام.
ومع ذلك ، كان العمل الأكثر صعوبة لجمعنسخة كيميائية من الجينوم المعاد كتابته وتبادلها مع الكائنات الحية الأصلية. استغرق هذا العمل العلماء حوالي عامين: عندما استبدلت كل قطعة تركيبية الكود الأصلي ، لاحظ الباحثون ما إذا كانت البكتيريا ستعمل أم تموت.
"هناك العديد من الطرق الممكنة لإعادة الترميزالجينوم، ولكن الكثير منها يمثل مشكلة: فالخلية تموت. على سبيل المثال، يمكن للكودونات المترادفة أن تنتج كميات مختلفة من البروتين، وفي بعض الأحيان بروتينات ذات خصائص غير متوقعة تقتل الخلية."
جيسون تشين، المؤلف الرئيسي للدراسة
اكتشف الباحثون مخططًا لإعادة الترميزمما جعل من الممكن استبدال الكود الأصلي بآخر اصطناعي وإبقاء الإشريكية القولونية حية، على الرغم من استخدام 59 كودونًا بدلاً من 61 لتوليد أحماض أمينية، واثنين بدلاً من 3 كودونات لإيقاف هذه العملية.
وهكذا ، كان العلماء قادرين على تقليل العددالكودونات من 64 إلى 61. هذا رقم قياسي جديد - حتى الآن تمكن علماء الوراثة من تكوين بكتيريا Escherichia coli ، التي يمكن أن تعيش مع 63 رمز فقط بدلاً من 64.
ماذا سوف يؤدي إلى
الغرض الرئيسي من إنشاء جينوم معدّل -القدرة على إعطاء الكودونات القدرة على توليد واحد من مئات الأحماض الأمينية ، بالإضافة إلى 20 ، التي وضعتها الطبيعة. هذا سيجعل من الممكن توليف إنزيمات جديدة وبروتينات أخرى.
"لقد أعطتنا الطبيعة مجموعة محدودة من الإنزيمات ،الذين تعلمنا استخدامهم لأداء مهام معقدة ، بدءاً من إنتاج الجبن وعصير الفاكهة ، إلى تصنيع الوقود الحيوي واكتشاف العلامات في الاختبارات البيولوجية. وقال ستات إليس ، خبير في البيولوجيا التركيبية في جامعة إمبريال كوليدج في لندن: "يمكننا أن نفعل كل هذا بمجموعة من 20 من الأحماض الأمينية - تخيل ما هي الفرص التي يمكن أن نحصل عليها من استخدام 22 من الأحماض الأمينية".
من بين هذه الفرص هو خلق جديدالغذاء ، وظهور فرص جديدة للصناعة ، والأهم من ذلك ، إنشاء البكتيريا المقاومة للفيروسات. سيسمح ذلك للصيادلة بتكوين أدوية تتعامل بشكل أكثر فاعلية مع الفيروسات والبكتيريا.
هل أعطى اكتشاف العلماء هذه الفرص؟ لا. لكنها حققت تقدمًا كبيرًا في محاولة إنشاء جينوم اصطناعي بالكامل لكائن حي له وظائف مختلفة عن الوظائف الأصلية.
"لقد رفعوا مجال الجينوميات الاصطناعيةواختتمت أليس في مقابلة مع صحيفة الجارديان The Guardian أن المستوى الجديد ، ليس فقط بنجاح أكبر مجموعة من الجينوم الاصطناعي التي تم إنشاؤها على الإطلاق ، ولكن أيضًا في إجراء أكبر التغييرات عليها.