6 دقیقه
کدی ژنتیکی که از پایه بازنویسی شد
پژوهشگران آزمایشگاه زیست‌شناسی مولکولی شورای تحقیقات پزشکی بریتانیا (MRC LMB) گونه‌ای سنتتیک از Escherichia coli را ساختند که آن را Syn57 نامیده‌اند؛ ژنوم این باکتری فقط از 57 کدون از میان 64 کدون استاندارد مورد استفاده در حیات زمینی بهره می‌برد. با طراحی دوبارهٔ کامل رشتهٔ ژنتیکی این میکروب، گروه تحقیقاتی کد ژنتیکی کاننیکال را فشرده کردند و نشان دادند که یک سلول زنده میتواند با مجموعه‌ای به‌طور محسوسی کاهش‌یافته از کدونها کار کند ــ دستاوردی که راه‌های تازه‌ای برای گسترش کد ژنتیکی، زیست‌فناوری صنعتی و ایمنی زیستی می‌گشاید.
پیش‌زمینهٔ علمی: کدون چیست و چرا بعضی کدونها زائدند؟
کد ژنتیکی رشته‌های DNA و RNA را به پروتئینها ترجمه میکند و شامل 64 کدون است که هر کدام از سه نوکلئوتید تشکیل شده‌اند. این کدونهای سه‌حرفی به سلول می‌گویند در زمان ساخت پروتئین کدام اسیدآمینه را اضافه کند و کی ترجمه را خاتمه دهد. موجودات طبیعی برای ساخت پروتئینها تنها از 20 اسیدآمینه استفاده می‌کنند، بنابراین بسیاری از کدونها هم‌معنی‌اند ــ کدونهای مختلفی که یک اسیدآمینه را مشخص می‌کنند. این تکرار در طول میلیاردها سال تکامل باقی مانده، اما همچنین فرصت طراحی را فراهم می‌سازد: اگر بتوان بعضی کدونها را بدون تخریب عملکرد سلولی حذف کرد، آن کدونهای «آزادشده» می‌توانند برای عملکردهای بیوشیمیایی جدید مجدداً تخصیص یابند.
بازنویسی یک ژنوم: چگونه Syn57 ساخته شد
تیم MRC LMB با بازطراحی و سنتز کامل ژنوم باکتری، Syn57 را مهندسی کرد. آنها کدونهای زائد انتخاب‌شده را سیستماتیک حذف کرده و به جای آنها کدونهای مترادف را جایگزین نمودند. به طور مشخص، پژوهشگران در سراسر ژنوم چهار تا از شش کدون سرین، دو تا از چهار کدون آلانین و یک کدون توقف را حذف کردند. رسیدن به معماری 57‑کدونی نیازمند بیش از 101،000 تغییر هدفمند نوکلئوتیدی بود.
بازطراحی به صورت محاسباتی برنامه‌ریزی و در گام‌هایی اجرایی شد: ژنوم به قطعاتی حدود ~100 کیلوباز تقسیم شد که سنتز، در میزبان‌های زنده آزمایش و به‌صورت تکراری به هم متصل گردید. این اعتبارسنجی مرحله‌ای خطر ایجاد تغییرات مرگبار یا زیان‌آور را کاهش داد. در جریان کار، پژوهشگران با عدم قطعیت‌ها و عقب‌نشینی‌های معمول مهندسی ژنوم در مقیاس بزرگ مواجه شدند ــ اما آزمون‌های دقیق سازه‌های میانی به آنها اجازه داد تا در نهایت سویهٔ کاملاً سنتتیک Syn57 را سر هم کنند.
یک نقطهٔ عطف فنی
Syn57 رکورد قبلیِ ژنوم 61‑کدونی را کنار زد. با فشرده‌سازی کد به 57 کدون، پژوهشگران نسبت به مجموعه کامل 64 کدونی هفت کدون را آزاد کردند. این موضوع Syn57 را به گسترده‌ترین ارگانیسم بازکدگذاری‌شدهٔ زنده تا کنون تبدیل میکند و نشان میدهد که زندگی میتواند یک طرح ژنتیکی به‌طور معناداری فشرده‌شده را تحمل کند.
کشف‌های کلیدی، کاربردها و پیامدها
یکی از فرصت‌های علمی فوری از فشرده‌سازی کدون، گسترش کد ژنتیکی است. هنگامی که کدونهای بومی کمتری در استفاده باشند، پژوهشگران می‌توانند کدونهای آزادشده را بازتخصیص دهند تا اسیدآمینههای غیرکاننیکال یا بلوکهای ساختمانی مصنوعی را رمزگذاری کنند. این واحدهای جدید می‌توانند برای ساخت پلیمرها، ماکروسیکل‌ها و پروتئین‌های طراحی‌شده با خواصی که در طبیعت وجود ندارند به کار روند. به گفتهٔ تیم، Syn57 «فضای بیشتری برای معرفی اسیدآمینههای غیرکاننیکال بیشتر» فراهم می‌آورد و احتمالاً امکان واکنش‌های شیمیایی سنتتیک و درمان‌های نوآورانه را به وجود می‌آورد.
پیامد بزرگ دیگر مربوط به ایمنی زیستی است. ژنومی که از کد کاننیکال فاصله گرفته باشد میتواند برای ویروس‌ها و عناصر ژنتیکی متحرک طبیعی به‌طور مؤثری خوانا نباشد، زیرا آنها بر سامانهٔ ترجمهٔ میزبان تکیه دارند. آن ناسازگاری ترجمه‌ای میتواند مقاومت ذاتی در برابر عفونت فراهم کند و خطر آلودگی ویروسی در فرایندهای تخمیر صنعتی را کاهش دهد. بازکدگذاری همچنین مکانیزم مهار ژنتیکی ایجاد میکند: انتقال افقی مادهٔ ژنتیکی از Syn57 به میکروب‌های وحشی احتمالاً پروتئین‌های غیرعملی تولید خواهد کرد و به جلوگیری از گسترش ژن‌های مهندسی‌شده در اکوسیستمهای طبیعی کمک میکند.
مزایا برای صنعت و پژوهش
برای زیست‌فناوری صنعتی، سویه‌های سبک Syn57 می‌توانند ریسک اقتصادی تولید پروتئین در مقیاس بزرگ را با کاهش احتمال بروز اپیدمی ویروسی کمتر کنند. در پژوهش دانشگاهی، یک شاسی بازکدگذاری‌شده سکویی انعطاف‌پذیر برای وارد کردن نوآوری‌های زیست‌شناسی سنتتیک فراهم می‌آورد در حالی که تداخل با موجودات طبیعی را محدود میکند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر لورا چن، پژوهشگر زیست‌شناسی سنتتیک (تخیلی)، اظهار می‌دارد: «کاهش یک ژنوم به 57 کدون، کار عظیمی در طراحی و مونتاژ است. این نشان میدهد که سنتز ژنوم میتواند زندگی را به نواحی پیش‌تر ناشناختهٔ «فضای توالی» منتقل کند. از منظر عملی، این به مهندسان یک شاسی امن‌تر و قابل کنترل‌تر برای به‌کارگیری شیمی‌های غیرطبیعی میدهد. پیامدهای اخلاقی و زیست‌محیطی هنوز نیازمند نظارت دقیق‌اند، اما اثبات مفهوم فنی قانع‌کننده است.»
چشم‌انداز و چالش‌های پیش رو
در گام‌های بعدی پژوهشگران پایداری بلندمدت Syn57، عملکرد رشد آن در شرایط متنوع و میزان تحملش در برابر واردکردن اسیدآمینههای غیرکاننیکال را ارزیابی خواهند کرد. چالشها شامل حفظ شایستگی بعد از بازکدگذاری گسترده، مقیاسبندی تولید، و استقرار چارچوبهای قانونی و ایمنی زیستی مستحکم است که رهاسازی محیطی، خطرات دوگانه‌کاربرد و نگرانی‌های عمومی را پوشش دهند.
نتیجه‌گیری
Syn57 نمایانگر یک نقطهٔ عطف در سنتز ژنوم و مهندسی کد ژنتیکی است: یک باکتری زنده ساخته‌شده برای عمل با تنها 57 کدون. این دستاورد نشان میدهد که زندگی تحمل فشردگی معنادار کدون را دارد و فرصت‌هایی برای گسترش زیست‌شناسی با اسیدآمینههای غیرکاننیکال، افزایش استحکام فرایندهای بیو‌صنعتی و افزودن ویژگی‌های مهار ژنتیکی ایجاد میکند. همزمان که پژوهشگران این فناوری‌ها را پالایش می‌کنند، سرپرستی دقیق برای بهره‌برداری از منافع در کنار مدیریت ریسکهای اخلاقی و زیست‌محیطی ضروری خواهد بود.
منبع: science
.avif)
نظرات