کشف اولین کد ژنتیکی شش حرفی به شکل گیری ارگانیسم های جدید انجامید

دانشمندان، اولین ارگانیسم های “نیمه سنتزی (نیمه مصنوعی)” تاریخ را با پرورش باکتریهای E.coli که به همراه یک کد ژنتیکی شش حرفی بسط یافته، ساختند.

گویا آی تی – در حالی که هر موجود زنده ای روی زمین بر اساس یک کد DNA شکل گرفته که از چهار پایه تشکیل شده است (این چهار پایه با حرف های G، T، C و A نشان داده می شوند)، اما این باکتریهای E.coli اصلاح شده نوع کاملا جدیدی از DNA را به همراه دو پایه DNA جدید، یعنی X وY، که در کد ژنتیکی آنها گنجانده می شود، حمل می کنند.
این تیم تحقیقاتی با سرپرستی فلوید رامزبرگ، از موسسه تحقیقاتی اسکریپس در کالیفرنیا، نوکلئوتیدهای سنتزی (مصنوعی) را ساخته اند. نوکلئوتید ها، مولکول هایی هستند که مانند بلوک های ساختمان DNA و RNA عمل می کنند. از این نوکلئوتیدها برای ساخت یک جفت پایه جدید استفاده می شود. محققان موفق شدند این جفت پایه جدید را در کد ژنتیکی E.coli وارد کنند.
حالا اولین ارگانیسم نیمه سنتزی (نیمه مصنوعی) جهان را با یک کد ژنتیکی که از دو جفت پایه طبیعی و یک جفت پایه اضافه “بیگانه” تشکیل شده، ساخته ایم. رامزبرگ و تیم او گمان می کنند شکل گیری این ارگانیسم جدید، آغازی بر شکل جدیدی از زندگی باشد.
محققانی که در این تحقیق مشارکت داشتند می گویند “این ارگانیسم نیمه سنتزی بهینه شده، با توانایی تقریبا نامحدودی که برای حفظ اطلاعات اضافه شده دارد، بستر مناسبی را ایجاد کرده تا ارگانیسم هایی با ویژگی ها و صفات کاملا غیرطبیعی بسازیم. این ویژگی ها و صفات هیچ کجای طبیعت یافت نمی شوند” .
“این ارگانیسم نیمه مصنوعی به منزله یک شکل پایدار از زندگی نیمه مصنوعی است، و پایه و اساس تلاش های بیشتر برای شکل گیری فرم ها و توابع جدیدی از زندگی را فراهم می آورد”.
در سال ۲۰۱۴، این تیم تحقیقاتی اعلام کرد موفق شده یک جفت پایه DNA مصنوعی بسازد. این جفت پایه از مولکولهایی به نام X و Y ساخته شده است و می تواند وارد یک ارگانیسم زنده شود.
از آن زمان تا کنون، آنها روی این موضوع کار کرده اند که باکتری E.coli اصلاح شده شان را به جایی برسانند که نه تنها این جفت پایه مصنوعی وارد کد DNA آنها شود، بلکه این جفت پایه برای کل طول عمر باکتری در داخل آن باقی بماند.
در ابتدا، باکتری های مهندسی شده ما ضعیف و بیمار بودند، و انتظار می رفت بعد از دریافت جفت پایه جدید، بمیرند. زیرا وقتی تقسیم می شدند، نمی توانستند جفت پایه جدید را نگه دارند.

رامزبرگ می گوید “ژنوم شما فقط برای یک روز پایدار نیست، بلکه باید برای کل عمر شما ثبات خود را حفظ می کند. اگر قرار باشد این ارگانیسم نیمه مصنوعی به حیات خود ادامه دهد، باید بتواند اطلاعات جدید را به صورت پایدار و باثبات حفظ نماید.”
در طول دو سال گذشته، این تیم سه روش جدید برای ساخت یک نسخه جدیدی از باکتری های E.coli طراحی کرد که بتوانند جفت پایه جدید را به صورت نامحدود در خود نگه دارند و به صورت طبیعی و سلامت زندگی کنند.
اولین گام، ساخت یک نسخه بهتر از یک ابزار بود که انتقال دهنده نوکلئوتید نامیده می شود. این ابزار، قطعه های جفت پایه مصنوعی را به DNA باکتری ها منتقل می کند، و آن را وارد یک مکان درست در کد ژنتیکی می کند.
یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی، یورک ژانگ، می گوید “این انتقال دهنده در تحقیق سال ۲۰۱۴ مورد استفاده قرار گرفت، اما در آن زمان ارگانیسم نیمه مصنوعی را به شدت بیمار کرد”.
وقتی انتقال دهنده را به گونه ای تغییر دادند که سمیت کمتری داشته باشد، باکتری دیگر واکنش منفی به آن نشان نداد.
سپس، آنها مولکولی که برای ساختن پایه Y به کار برده بودند را تغییر دادند، و دریافتند که در طی تکثیر DNA، آنزیم ها نوع تغییریافته مولکول اصلی پایه Y را راحت تر از مولکول های DNA سنتزی می شناسند.
در نهایت، تیم تحقیقاتی از یک ابزار فوق العاده برای ویرایش ژن ، یعنی CRISPR-Cas9 استفاده کرد تا نوعی از E.coli را بسازد که مولکول های X و Y را به عنوان یک مهاجم خارجی شناسایی نکنند.

اکنون این محققان گزارش کرده اند که E.coli های مهندسی شده سالم بوده و مستقل تر هستند و می توانند اطلاعات افزوده شده توسط جفت پایه مصنوعی جدید را به صورت نامحدود ذخیره کنند.
رامزبرگ می گوید “ما این ارگانیسم نیمه مصنوعی را به زندگی طبیعی نزدیکتر کرده ایم”.
شاید این یافته ها کمی وحشتناک به نظر برسند. نگرانی های زیادی در مورد آثار بالقوه این فناوری جدید وجود دارد.
در سال ۲۰۱۴، جیم توماس از گروه ETC، یعنی یک سازمان کانادایی که هدف آن حل مسائل اجتماعی – اقتصادی و زیست محیطی پیرامون فناوری های جدید است، به نیویورک تایمز گفت:
“ورود این شکل بی سابقه از زندگی “بیگانه” به زندگی طبیعی، پیامدهای اخلاقی، قانونی و نظارتی گسترده ای به همراه خواهد داشت. زیست شناسان سنتزی (مصنوعی) راههای جدیدی برای پیاده سازی این فناوری در اصول زندگی میمون ابداع کرده اند، اما دولت ها نتوانسته اند اصول نظارتی، ارزیابی ها یا مقررات مناسبی را در این زمینه رو به رشد تدوین و تنظیم نمایند”.

اینجاست که باکتری های ساخته شده به سختی می توانند به مرحله عمل برسند.
اما رامزبرگ می گوید جای نگرانی نیست، زیرا این جفت پایه مصنوعی در این حالت بی فایده است. باکتری نمی تواند آن را بخواند و پردازش کند تا چیزی ارزشمند از آن به دست آورد. ما فقط می توانیم بر اساس پایه های “بیگانه” فرم جدیدی از زندگی را ایجاد و حفظ نماییم.
گام بعدی، وارد کردن یک جفت پایه است که واقعا قابل خواندن باشد، و سپس باکتری ها می توانند واقعا کاری با آن انجام دهند.
رامزبرگ می گوید دلیل دیگر آنکه لازم نیست نگران باشیم، آن است که این مولکول ها اصلا به گونه ای طراحی نشده اند که بتوانند در ارگانیسم های پیچیده کار کنند. به نظر می رسد آنها شبیه هیچ یک از نمونه های یافت شده در طبیعت نیستند و به همین دلیل احتمال آنکه از کنترل خارج شوند، بسیار بسیار کم است.
رامزبرگ به یان سمپل از نشریه گاردین گفت “هر سیر تکاملی ابتدا با چیزی ساده و موجود آغاز می شود و سپس آنچه این نمونه می تواند انجام دهد، گام به گام تغییر می کند”.
“X و Y برخلاف DNA ، طبیعی نیستند. پس طبیعت هیچ نمونه ای نزدیک به آن ندارد که سیر تکاملی آن را آغاز نماید. ما بارها نشان داده ایم که هر وقت X و Y را تامین نکنیم، سلول ها می میرند”.

زمان نشان خواهد داد که او درست می گوید یا خیر، اما آنچه مسلم است آن است که این تیم تحقیقاتی قصد دارد این فناوری را بهبود بخشد و امیدوار است باکتری هایی بسازد که بتوانند انواع جدیدی از پروتئین ها را تولید کنند. این پروتئین ها می توانند در ساخت داروها و مواد مفید در آینده به کار روند.
رامزبرگ ادعا می کند “این فناوری کارهایی که می توانیم با پروتئین ها انجام دهیم را فوق العاده متحول خواهد کرد”.
نتایج این تحقیق در “مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم” منتشر شده است.