زیست شناسی مصنوعی در حال حاضر در حال بازنویسی زندگی است.
در اواخر سال 2023، دانشمندان سلول های مخمر را نشان داد نیمی از طرح ژنتیکی آنها با DNA مصنوعی جایگزین شده است. این یک لحظه "حوضه آبخیز" در یک بود پروژه 18 ساله برای طراحی نسخه های جایگزین از هر کروموزوم مخمر. علیرغم داشتن هفت و نیم کروموزوم مصنوعی، سلول ها تولید مثل کردند و رشد کردند.
یک مطالعه جدید ما را از نردبان تکامل به سمت گیاهان طراح بالا می برد.
برای پروژه ای به نام SynMoss، یک تیم در چین بخشی از یک کروموزوم منفرد را در نوعی خزه دوباره طراحی کردند. گیاه نیمه سنتزی حاصل به طور طبیعی رشد کرد و هاگ تولید کرد و آن را به یکی از اولین موجودات زنده با سلول های متعدد تبدیل کرد که یک کروموزوم نیمه مصنوعی را حمل می کرد.
تغییرات سفارشی در کروموزوم های گیاه در مقایسه با مخمر مصنوعی نسبتاً کم است. اما این گامی به سوی طراحی مجدد کامل ژنوم در موجودات سطح بالاتر است.
در مصاحبه ای با علمدکتر تام الیس، زیست شناس مصنوعی از امپریال کالج لندن، گفت که این یک زنگ بیدارباش برای افرادی است که فکر می کنند ژنوم های مصنوعی فقط برای میکروب ها هستند.
ارتقاء زندگی
تلاش برای بازنویسی زندگی فقط برای ارضای کنجکاوی علمی نیست.
دستکاری با DNA می تواند به ما در رمزگشایی تاریخچه تکامل و مشخص کردن بخش های حیاتی DNA که کروموزوم ها را ثابت نگه می دارد یا باعث بیماری می شود کمک کند. این آزمایش‌ها همچنین می‌توانند به ما در درک بهتر «ماده تاریک» DNA کمک کنند. توالی‌های اسرارآمیز که پروتئین‌ها را کد نمی‌کنند، در سراسر ژنوم پراکنده شده‌اند، مدت‌هاست دانشمندان را گیج کرده‌اند: آیا آنها مفید هستند یا فقط بقایای تکامل هستند؟
موجودات مصنوعی همچنین مهندسی موجودات زنده را آسان تر می کنند. به عنوان مثال، از باکتری ها و مخمرها برای دم کردن آبجو و پمپاژ داروهای نجات دهنده مانند انسولین استفاده می شود. با افزودن، جابجایی یا حذف بخش‌هایی از ژنوم، می‌توان به این سلول‌ها قابلیت‌های جدیدی داد.
در یک مطالعه اخیربرای مثال، محققان باکتری‌ها را برای سنتز پروتئین‌ها با استفاده از بلوک‌های سازنده اسید آمینه که در طبیعت دیده نمی‌شوند، برنامه‌ریزی کردند. در دیگری در این مطالعه، تیمی باکتری‌ها را به ترمیناتورهایی تبدیل کردند که زباله‌های پلاستیکی را به مواد مفید بازیافت می‌کنند.
اگرچه باکتری‌ها بر خلاف ما از سلول‌هایی ساخته شده‌اند، اما ماده ژنتیکی آنها در اطراف شناور است و سیم‌کشی مجدد آنها را به طور بالقوه آسان‌تر می‌کند.
La پروژه مخمر مصنوعی یک پیشرفت بود برخلاف باکتری ها، مخمر یک سلول یوکاریوتی است. گیاهان، حیوانات و انسان ها همگی در این دسته قرار می گیرند. DNA ما در داخل حباب مهره مانندی به نام هسته محافظت می‌شود و تغییر آن را برای زیست‌شناسان مصنوعی دشوارتر می‌کند.
و تا آنجا که یوکاریوت ها پیش می روند، دستکاری گیاهان سخت تر از مخمرها - یک ارگانیسم تک سلولی - است زیرا آنها حاوی انواع سلول های متعددی هستند که رشد و تولید مثل را هماهنگ می کنند. تغییرات کروموزومی بسته به نحوه عملکرد هر سلول می تواند متفاوت باشد و به نوبه خود بر سلامت گیاه تأثیر بگذارد.
این تیم در مقاله خود نوشت: "سنتز ژنوم در موجودات چند سلولی قلمروی ناشناخته باقی می ماند."
آهسته و ثابت
این تیم به جای ساختن یک ژنوم کاملاً جدید از ابتدا، با ژنوم خزه موجود دست به کار شد.
این فاز سبز به طور گسترده در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار گرفته است. یک تحلیل اولیه ژنوم خزه نشان داد که دارای 35,000 ژن بالقوه است که برای یک گیاه بسیار پیچیده است. تمام 26 کروموزوم آن به طور کامل توالی یابی شده اند.
به همین دلیل، تیم تحقیقاتی نوشت، این گیاه یک مدل پرکاربرد در مطالعات تکاملی و بیولوژیکی سلولی است.
ژن های خزه به راحتی با تغییرات محیطی سازگار می شوند، به ویژه آنهایی که آسیب DNA ناشی از نور خورشید را ترمیم می کنند. در مقایسه با گیاهان دیگر - مانند شاهی تال، مدل دیگری که زیست شناسان دوست دارند - خزه دارای توانایی داخلی برای تحمل تغییرات بزرگ DNA و بازسازی سریعتر است. تیم توضیح داد که هر دو جنبه هنگام بازنویسی ژنوم "ضروری" هستند.
امتیاز دیگر؟ خزه می تواند از یک سلول به یک گیاه کامل تبدیل شود. این توانایی یک سناریوی رویایی برای زیست شناسان مصنوعی است زیرا تغییر ژن ها یا کروموزوم ها در تنها یک سلول به طور بالقوه می تواند کل ارگانیسم را تغییر دهد.
مانند کروموزوم های ما، کروموزوم های گیاهی شبیه یک "X" با دو بازوی متقابل هستند. برای این مطالعه، تیم تصمیم گرفت کوتاه‌ترین بازوی کروموزوم در گیاه را بازنویسی کند، کروموزوم 18. این هنوز یک پروژه ماموت بود. پیش از این، بزرگترین جایگزین تنها حدود 5,000 حرف DNA بود. مطالعه جدید نیاز به جایگزینی بیش از 68,000 حرف داشت.
این تیم نوشت، جایگزینی توالی‌های DNA طبیعی با «قطعات مصنوعی بزرگ بازطراحی‌شده یک چالش فنی بزرگ ایجاد کرد».
آنها استراتژی تقسیم کن و حکومت کن را در پیش گرفتند. آنها ابتدا قطعات متوسطی از DNA مصنوعی را قبل از ترکیب آنها در یک "مگا تکه" DNA از بازوی کروموزوم طراحی کردند.
کروموزوم جدید طراحی شده چندین تغییر قابل توجه داشت. ترانسپوزون ها یا «ژن های پرش» از آن حذف شد. این بلوک‌های DNA در اطراف ژنوم حرکت می‌کنند و دانشمندان هنوز در حال بحث هستند که آیا برای عملکردهای طبیعی بیولوژیکی ضروری هستند یا به بیماری کمک می‌کنند. این تیم همچنین «برچسب‌های» DNA را به کروموزوم اضافه کردند تا آن را به‌عنوان مصنوعی علامت‌گذاری کنند و تغییراتی در نحوه تنظیم ساخت پروتئین‌های خاص ایجاد کردند.
به طور کلی، این تغییرات اندازه کروموزوم را نزدیک به 56 درصد کاهش داد. پس از قرار دادن کروموزوم طراح در سلول های خزه، تیم آنها را در گیاهان بالغ پرورش داد.
یک شکوفه نیمه مصنوعی
حتی با یک ژنوم به شدت ویرایش شده، خزه مصنوعی به طرز شگفت آوری طبیعی بود. گیاهان به راحتی به بوته های برگ دار با شاخه های متعدد رشد کردند و در نهایت هاگ تولید کردند. تمام ساختارهای زایشی مانند آنهایی بودند که در طبیعت یافت می شوند، که نشان می دهد گیاهان نیمه مصنوعی چرخه زندگی طبیعی دارند و می توانند بالقوه تولید مثل کنند.
گیاهان همچنین انعطاف پذیری خود را در برابر محیط های بسیار شور حفظ کردند - سازگاری مفیدی که در همتایان طبیعی آنها نیز دیده می شود.
اما خزه های مصنوعی دارای برخی ویژگی های اپی ژنتیکی غیرمنتظره بودند. اپی ژنتیک علم چگونگی روشن یا خاموش کردن ژن ها توسط سلول ها است. بخش مصنوعی کروموزوم دارای مشخصات اپی ژنتیکی متفاوتی در مقایسه با خزه طبیعی با ژن‌های فعال‌تر از حد معمول بود. به گفته تیم، این به طور بالقوه می تواند مضر باشد.
این خزه همچنین بینش‌های بالقوه‌ای در مورد «ماده تاریک» DNA از جمله ترانسپوزون‌ها ارائه کرد. به نظر نمی رسد حذف این ژن های جهشی به گیاهان نیمه مصنوعی آسیب برساند، و نشان می دهد که ممکن است برای سلامتی آنها ضروری نباشد.
عملی تر، نتایج می تواند تقویت تلاش های بیوتکنولوژی استفاده از خزه برای تولید طیف وسیعی از پروتئین‌های درمانی، از جمله پروتئین‌هایی که با بیماری‌های قلبی مبارزه می‌کنند، زخم‌ها را التیام می‌بخشند یا سکته را درمان می‌کنند. خزه در حال حاضر برای سنتز داروهای پزشکی استفاده می شود. یک ژنوم نیمه طراحی شده می تواند متابولیسم آن را تغییر دهد، انعطاف پذیری آن را در برابر عفونت ها افزایش دهد و عملکرد را افزایش دهد.
گام بعدی جایگزینی کل بازوی کوتاه کروموزوم 18 با توالی های مصنوعی است. آنها قصد دارند یک ژنوم کامل خزه مصنوعی را ظرف 10 سال تولید کنند.
این یک هدف بلندپروازانه است. در مقایسه با ژنوم مخمر، که 18 سال طول کشید و یک همکاری جهانی برای بازنویسی نیمی از آن، ژنوم خزه 40 برابر بزرگتر است. اما با افزایش کارآمد و ارزان‌تر فن‌آوری‌های خواندن و سنتز DNA، هدف دور از دسترس نیست.
تکنیک‌های مشابه همچنین می‌تواند الهام‌بخش پروژه‌های دیگری برای طراحی مجدد کروموزوم‌ها در موجودات فراتر از باکتری‌ها و مخمرها، از گیاهان گرفته تا حیوانات باشد.
تصویر های اعتباری: پیرکس / ویکی‌مدیا کامانز
- محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
- PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
- PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
- PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
- منبع: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/
