دانشمندان باکتری E. coli با ژن کاملا مصنوعی ایجاد کردند.
چهارشنبه, ۱ خرداد ۱۳۹۸، ۰۶:۰۵ ب.ظ
جیسون چین، متخصص زیست شناسی در دانشگاه کمبریج، به سمپل یان گاردین می گوید: "کاملا معلوم نبود که ژنوم بزرگ شود یا اینکه امکان تغییر آن وجود داشته باشد."
اما همانطور که تام الیس، مدیر مرکز زیست شناسی مصنوعی کالج امپریال لندن و بررسی کننده این تحقیق، به رایان ماندلباوم گیزمودو توضیح می دهد، تلاش های این تیم در نهایت به "تور د فورس" برای این میدان منجر شد: "آنها سنتز، ساخته و نشان داده شد که یک ژنوم مصنوعی با 4 میلیون جفت باز می تواند کار کند. "این بیشتر از رکورد قبلی آن بوده است."
اما همانطور که تام الیس، مدیر مرکز زیست شناسی مصنوعی کالج امپریال لندن و بررسی کننده این تحقیق، به رایان ماندلباوم گیزمودو توضیح می دهد، تلاش های این تیم در نهایت به "تور د فورس" برای این میدان منجر شد: "آنها سنتز، ساخته و نشان داده شد که یک ژنوم مصنوعی با 4 میلیون جفت باز می تواند کار کند. "این بیشتر از رکورد قبلی آن بوده است."
دانشمندان باید "ژنوم" را بازسازی کنند، دانشمندان باید 64 کدون یا ترکیب سه حرفی مولکولهای دی ان ای، A، T، C و G را برای adenine، thymine، cytosine و guanine که قدرت تمام موجودات زنده را کنترل می کنند، دستکاری کنند. از آنجا که هر یک از سه موقعیت در یک کدون می تواند توسط هر یک از چهار مولکول نگه داشته شود، 64 ترکیب ممکن ( 4x 4 x 4) وجود دارد. این ترکیبات به نوبه خود با اسیدهای آمینه خاص یا ترکیبات ارگانیک که پروتئین هایی را برای زندگی ضروری می سازند، مطابقت دارد. به عنوان مثال TCA، با اسید آمینه اسید سریین، در حالی که AAG مشخص کننده لیزین است. شارون بیگلِی، STAT معتقد است که TAA به عنوان نشانه توقف عمل می کند، که علامت توقف را به ارگانیسم برای جلوگیری از افزودن اسید آمینه به یک پروتئین در حال رشد ارسال می کند.
یکی دیگر از این فرایندهای پیچیده ای است: از آنجا که فقط 20 اسید آمینه مرتبط با کد ژنتیکی وجود دارد، کدون های متعدد می توانند با یک اسید ترکیب شوند. مثلا Serine، نه تنها TCA، بلکه AGT، AGC، TCT، TCC و TCG نیز مرتبط است. همان گونه که جان تیمر برای Ars Technica می نویسد، عدم انطباق تعداد کدون ها در برابر اسیدهای آمینه باعث می شود 43 کدون به طور عمده بی ثمر باشد. گرچه سلول ها از این مجموعه های اضافی به عنوان کد های توقف، ابزارهای قانونی و مسیرهای کارآمدتری نسبت به رمزگذاری یک پروتئین خاص استفاده می کنند، اما این واقعیت باقی می ماند که بسیاری از آنها زائد هستند.
یکی دیگر از این فرایندهای پیچیده ای است: از آنجا که فقط 20 اسید آمینه مرتبط با کد ژنتیکی وجود دارد، کدون های متعدد می توانند با یک اسید ترکیب شوند. مثلا Serine، نه تنها TCA، بلکه AGT، AGC، TCT، TCC و TCG نیز مرتبط است. همان گونه که جان تیمر برای Ars Technica می نویسد، عدم انطباق تعداد کدون ها در برابر اسیدهای آمینه باعث می شود 43 کدون به طور عمده بی ثمر باشد. گرچه سلول ها از این مجموعه های اضافی به عنوان کد های توقف، ابزارهای قانونی و مسیرهای کارآمدتری نسبت به رمزگذاری یک پروتئین خاص استفاده می کنند، اما این واقعیت باقی می ماند که بسیاری از آنها زائد هستند.
تعیین اینکه چقدر این کدون اضافی بیش از حد مورد آزمایش و خطا قرار گرفته است. چین به بیگلی می گوید: "روش های ممکن زیادی برای باز کردن یک ژنوم وجود دارد، اما بسیاری از آنها مشکل ساز هستند: سلول می میرد".
برای ایجاد ژنوم موفق مصنوعی، چین و همکارانش هر کدام از کدون های سریین TCG و TCA را با AGC و AGT جایگزین کردند. این تیم همچنین هر کدون TAG را باTAA توقف جایگزین کرد . در نهایت، زیمر نیویورک تایمز یادآور می شود که بازسازیDNA از چهار کدون سریین به جای چهار و دو توقف کدون به جای سه استفاده می کند. خوشبختانه دانشمندان مجبور نبودند این کار را با دست انجام دهند. در عوض، آنها جایگزینی 18.214 را با پردازش کد E. coli مانند یک فایل متنی بزرگ و اجرای یک تابع جستجو و جایگزینی انجام دادند.
انتقال این DNA مصنوعی به باکتری، یک کار سخت تر است. با توجه به طول و پیچیدگی ژنوم، تیم قادر به معرفی آن به یک سلول در یک تلاش نیست؛ در عوض، دانشمندان به این کار در مراحل پایانی پیوستند، با زحمت شکستن ژنوم به قطعات کوچک و پیوند آن با بقیه باکتری های زنده آن را عملی کردند.
برای ایجاد ژنوم موفق مصنوعی، چین و همکارانش هر کدام از کدون های سریین TCG و TCA را با AGC و AGT جایگزین کردند. این تیم همچنین هر کدون TAG را باTAA توقف جایگزین کرد . در نهایت، زیمر نیویورک تایمز یادآور می شود که بازسازیDNA از چهار کدون سریین به جای چهار و دو توقف کدون به جای سه استفاده می کند. خوشبختانه دانشمندان مجبور نبودند این کار را با دست انجام دهند. در عوض، آنها جایگزینی 18.214 را با پردازش کد E. coli مانند یک فایل متنی بزرگ و اجرای یک تابع جستجو و جایگزینی انجام دادند.
انتقال این DNA مصنوعی به باکتری، یک کار سخت تر است. با توجه به طول و پیچیدگی ژنوم، تیم قادر به معرفی آن به یک سلول در یک تلاش نیست؛ در عوض، دانشمندان به این کار در مراحل پایانی پیوستند، با زحمت شکستن ژنوم به قطعات کوچک و پیوند آن با بقیه باکتری های زنده آن را عملی کردند.
چین در مصاحبه ای با آنتونیو ریگالادو از مرکز MIT تکنولوژی می گوید که دستاوردهای محققان دوگانه است. نه تنها ژن جدید طراحی شده، بلکه "پیشرفت فنی" است، اما همچنین "به شما در مورد زیست شناسی چیزی بنیادی و نحوه چیدمان قابل انعطاف ژن ها را واقعا یاد می دهد".
بر طبق سمپل گاردین، این تحقیق می تواند به دانشمندان کمک کند تا باکتری های مقاوم در برابر ویروس مجهز برای استفاده در صنعت بیوفارماکینتیک ایجاد کنند؛ E.coli در حال حاضر برای تولید انسولین و ترکیبات پزشکی که برای درمان سرطان، مولتیپل اسکلروزیس، حملات قلبی و بیماری چشم مورد استفاده قرار می گیرد، اما به لطف حساسیت نسبت به برخی از ویروس های غیر سینتیک DNA، تولید می تواند به راحتی متوقف شود.
یکی دیگر از دلایل اصلی مطالعه اسیدهای آمینه هستند. همانطور که رونالد پیز در اخبار بی بی سی می نویسد، استفاده از 61 ژنوم E. coli از 64 کدون ممکن، سه کدون باز را برای برنامه ریزی باقی می گذارد، و در را برای "بلوک های غیر طبیعی" که قادر به انجام کارهای غیرممکن است، باز می کند.
فین استرلینگ، یک متخصص زیست شناسی مصنوعی در دانشکده پزشکی هاروارد که در تحقیق جدید دخیل نبود، در مصاحبه با زیمر گفت: "در تئوری، شما می توانید هر چیزی را بازنویسی کنید."
بر طبق سمپل گاردین، این تحقیق می تواند به دانشمندان کمک کند تا باکتری های مقاوم در برابر ویروس مجهز برای استفاده در صنعت بیوفارماکینتیک ایجاد کنند؛ E.coli در حال حاضر برای تولید انسولین و ترکیبات پزشکی که برای درمان سرطان، مولتیپل اسکلروزیس، حملات قلبی و بیماری چشم مورد استفاده قرار می گیرد، اما به لطف حساسیت نسبت به برخی از ویروس های غیر سینتیک DNA، تولید می تواند به راحتی متوقف شود.
یکی دیگر از دلایل اصلی مطالعه اسیدهای آمینه هستند. همانطور که رونالد پیز در اخبار بی بی سی می نویسد، استفاده از 61 ژنوم E. coli از 64 کدون ممکن، سه کدون باز را برای برنامه ریزی باقی می گذارد، و در را برای "بلوک های غیر طبیعی" که قادر به انجام کارهای غیرممکن است، باز می کند.
فین استرلینگ، یک متخصص زیست شناسی مصنوعی در دانشکده پزشکی هاروارد که در تحقیق جدید دخیل نبود، در مصاحبه با زیمر گفت: "در تئوری، شما می توانید هر چیزی را بازنویسی کنید."
منبع: smithsonian.com
