لقد بدأت البيولوجيا التركيبية بالفعل في إعادة كتابة الحياة.
في أواخر عام 2023، العلماء كشفت خلايا الخميرة مع استبدال نصف مخططهم الجيني بالحمض النووي الاصطناعي. لقد كانت لحظة "فاصلة" في مشروع مدته 18 عامًا لتصميم نسخ بديلة لكل كروموسوم الخميرة. وعلى الرغم من وجود سبعة ونصف كروموسومات اصطناعية، إلا أن الخلايا تتكاثر وتزدهر.
كشفت دراسة جديدة ينقلنا إلى أعلى السلم التطوري إلى النباتات المصممة.
بالنسبة لمشروع يسمى SynMoss، أعاد فريق في الصين تصميم جزء من كروموسوم واحد في نوع من الطحالب. وقد نما النبات الناتج جزئيًا بشكل طبيعي وأنتج أبواغًا، مما يجعله أحد الكائنات الحية الأولى التي تحتوي على خلايا متعددة لحمل كروموسوم صناعي جزئيًا.
التغيرات المخصصة في كروموسومات النبات تكون صغيرة نسبياً مقارنة بالخميرة الصناعية. لكنها خطوة نحو إعادة تصميم الجينومات بشكل كامل في الكائنات ذات المستوى الأعلى.
في مقابلة مع علوموقال عالم الأحياء الاصطناعية الدكتور توم إليس من جامعة إمبريال كوليدج في لندن إنها "دعوة للاستيقاظ للأشخاص الذين يعتقدون أن الجينومات الاصطناعية مخصصة للميكروبات فقط".
ترقية الحياة
إن الجهود المبذولة لإعادة كتابة الحياة لا تهدف فقط إلى إرضاء الفضول العلمي.
يمكن أن يساعدنا تعديل الحمض النووي في فك رموز التاريخ التطوري وتحديد الأجزاء الحرجة من الحمض النووي التي تحافظ على استقرار الكروموسومات أو تسبب المرض. يمكن أن تساعدنا التجارب أيضًا على فهم "المادة المظلمة" للحمض النووي بشكل أفضل. إن التسلسلات الغامضة التي لا تشفر البروتينات، المنتشرة عبر الجينوم، حيرت العلماء لفترة طويلة: هل هي مفيدة أم مجرد بقايا من التطور؟
تسهل الكائنات الاصطناعية أيضًا هندسة الكائنات الحية. على سبيل المثال، تُستخدم البكتيريا والخميرة بالفعل في تحضير البيرة وضخ الأدوية المنقذة للحياة مثل الأنسولين. ومن خلال إضافة أو تبديل أو حذف أجزاء من الجينوم، من الممكن منح هذه الخلايا قدرات جديدة.
في دراسة حديثةعلى سبيل المثال، أعاد الباحثون برمجة البكتيريا لتصنيع البروتينات باستخدام كتل بناء من الأحماض الأمينية غير موجودة في الطبيعة. في آخر وفي الدراسة، قام فريق من الباحثين بتحويل البكتيريا إلى أجهزة إبادة قضمة للبلاستيك تعمل على إعادة تدوير النفايات البلاستيكية إلى مواد مفيدة.
على الرغم من أنها مثيرة للإعجاب، إلا أن البكتيريا مصنوعة من خلايا مختلفة عن خلايانا، حيث تطفو مادتها الوراثية، مما يجعلها أسهل في إعادة توصيل الأسلاك.
• مشروع الخميرة الاصطناعية كان طفرة. على عكس البكتيريا، الخميرة هي خلية حقيقية النواة. وتقع النباتات والحيوانات والبشر جميعًا ضمن هذه الفئة. الحمض النووي الخاص بنا محمي داخل فقاعة تشبه الجوز تسمى النواة، مما يجعل تعديله أكثر صعوبة على علماء الأحياء الاصطناعية.
وبقدر ما تذهب حقيقيات النوى، فإن النباتات أصعب في التعامل معها من الخميرة - كائن حي ذو خلية واحدة - لأنها تحتوي على أنواع متعددة من الخلايا التي تنسق النمو والتكاثر. يمكن أن تحدث تغيرات الكروموسومات بشكل مختلف اعتمادًا على كيفية عمل كل خلية، وبالتالي تؤثر على صحة النبات.
وكتب الفريق في ورقتهم البحثية: "إن تركيب الجينوم في الكائنات متعددة الخلايا لا يزال منطقة مجهولة".
بطيء وثابت
وبدلاً من بناء جينوم جديد بالكامل من الصفر، قام الفريق بالتعديل على جينوم الطحالب الموجود.
تمت دراسة هذا الزغب الأخضر على نطاق واسع في المختبر. تحليل مبكر وجد من جينوم الطحالب أنه يحتوي على 35,000 جين محتمل، وهو أمر معقد بشكل لافت للنظر بالنسبة للنبات. تم تسلسل جميع كروموسوماته الـ 26 بالكامل.
ولهذا السبب، يعتبر النبات "نموذجًا يستخدم على نطاق واسع في الدراسات التنموية التطورية والدراسات البيولوجية الخلوية"، كما كتب الفريق.
تتكيف جينات الطحالب بسهولة مع التغيرات البيئية، خاصة تلك التي تعمل على إصلاح تلف الحمض النووي الناتج عن أشعة الشمس. بالمقارنة مع النباتات الأخرى - مثل نبات الرشاد، وهو نموذج آخر يفضله علماء الأحياء - يتمتع الطحلب بقدرة مدمجة على تحمل التغيرات الكبيرة في الحمض النووي والتجدد بشكل أسرع. وأوضح الفريق أن كلا الجانبين "ضروريان" عند إعادة كتابة الجينوم.
فائدة أخرى؟ يمكن أن ينمو الطحلب إلى نبات كامل من خلية واحدة. تعتبر هذه القدرة بمثابة سيناريو يحلم به علماء الأحياء الاصطناعية، لأن تغيير الجينات أو الكروموسومات في خلية واحدة فقط يمكن أن يغير الكائن الحي بأكمله.
تشبه الكروموسومات النباتية، مثل كروموسوماتنا، شكل "X" بذراعين متقاطعين. في هذه الدراسة، قرر الفريق إعادة كتابة أقصر ذراع كروموسوم في النبات – الكروموسوم 18. وكان لا يزال مشروعًا ضخمًا. في السابق، كان الاستبدال الأكبر عبارة عن حوالي 5,000 حرف من الحمض النووي فقط؛ احتاجت الدراسة الجديدة إلى استبدال أكثر من 68,000 حرف.
وكتب الفريق أن استبدال تسلسلات الحمض النووي الطبيعية بـ "الشظايا الاصطناعية الكبيرة المعاد تصميمها يمثل تحديًا تقنيًا هائلاً".
لقد اتخذوا استراتيجية فرق تسد. لقد صمموا أولاً قطعًا متوسطة الحجم من الحمض النووي الاصطناعي قبل دمجها في "قطعة ضخمة" واحدة من الحمض النووي لذراع الكروموسوم.
كان للكروموسوم المصمم حديثًا العديد من التغييرات الملحوظة. لقد تم تجريده من الترانسبوزونات، أو "الجينات القافزة". تتحرك كتل الحمض النووي هذه حول الجينوم، ولا يزال العلماء يتناقشون حول ما إذا كانت ضرورية للوظائف البيولوجية الطبيعية أو إذا كانت تساهم في المرض. أضاف الفريق أيضًا "علامات" الحمض النووي إلى الكروموسوم لتمييزه على أنه اصطناعي، وأجرى تغييرات على كيفية تنظيمه لتصنيع بروتينات معينة.
بشكل عام، أدت التغييرات إلى تقليل حجم الكروموسوم بنسبة 56 بالمائة تقريبًا. وبعد إدخال الكروموسوم المصمم في الخلايا الطحلبية، قام الفريق برعايتها لتصبح نباتات بالغة.
زهر نصف اصطناعي
حتى مع وجود جينوم معدل بشكل كبير، كان الطحلب الاصطناعي طبيعيًا بشكل مدهش. نمت النباتات بسهولة إلى شجيرات مورقة ذات فروع متعددة وأنتجت في النهاية جراثيم. وكانت جميع الهياكل الإنجابية مماثلة لتلك الموجودة في البرية، مما يشير إلى أن النباتات نصف الاصطناعية كانت لها دورة حياة طبيعية ويمكن أن تتكاثر.
كما حافظت النباتات أيضًا على مرونتها في مواجهة البيئات شديدة الملوحة، وهو تكيف مفيد شوهد أيضًا في نظيراتها الطبيعية.
لكن الطحلب الاصطناعي كان لديه بعض المراوغات اللاجينية غير المتوقعة. علم الوراثة اللاجينية هو العلم الذي يدرس كيفية تشغيل الخلايا للجينات أو إيقافها. كان للجزء الاصطناعي من الكروموسوم شكل جيني مختلف مقارنة بالطحالب الطبيعية، مع جينات أكثر تنشيطًا من المعتاد. ومن المحتمل أن يكون هذا ضارًا، وفقًا للفريق.
كما قدم الطحلب رؤى محتملة حول "المادة المظلمة" للحمض النووي، بما في ذلك الينقولات. ولا يبدو أن حذف هذه الجينات القافزة يضر بالنباتات الاصطناعية جزئيا، مما يشير إلى أنها قد لا تكون ضرورية لصحتها.
وبشكل عملي أكثر، يمكن أن تكون النتائج كذلك تعزيز جهود التكنولوجيا الحيوية استخدام الطحلب لإنتاج مجموعة واسعة من البروتينات العلاجية، بما في ذلك تلك التي تقاوم أمراض القلب، أو تشفي الجروح، أو تعالج السكتة الدماغية. ويستخدم الطحلب بالفعل في تصنيع الأدوية الطبية. يمكن للجينوم المصمم جزئيًا أن يغير عملية التمثيل الغذائي، ويعزز مرونته ضد العدوى، ويزيد من إنتاجيته.
والخطوة التالية هي استبدال كامل الذراع القصير للكروموسوم 18 بتسلسلات اصطناعية. إنهم يهدفون إلى توليد جينوم الطحالب الاصطناعية بالكامل في غضون 10 سنوات.
إنه هدف طموح. بالمقارنة مع جينوم الخميرة، الذي استغرق 18 عامًا وتعاونًا عالميًا لإعادة كتابة نصفه، فإن جينوم الطحالب أكبر بـ 40 مرة. ولكن مع وجود تقنيات قراءة وتركيب الحمض النووي ذات الكفاءة المتزايدة والتكلفة المنخفضة، فإن الهدف ليس بعيد المنال.
ويمكن لتقنيات مماثلة أيضًا أن تلهم مشاريع أخرى لإعادة تصميم الكروموسومات في الكائنات الحية، بما في ذلك البكتيريا والخميرة، من النباتات إلى الحيوانات.
الصورة الائتمان: بيركس / ويكيميديا كومنز
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/
