باکتری های مهندسی شده برای تولید زانتوماتین دریایی

هشت‌پاها، مرکب‌ها و خویشاوندان سرپایان آن‌ها (cephalopods) به‌خاطر توانایی شگفت‌انگیز تغییر رنگ و ناپدیدشدن معروف‌اند. راز این جابه‌جایی رنگ‌ها تا حدی به یک رنگ‌دانه نادر به نام زانتوماتین (xanthommatin) مربوط می‌شود — تا پیش از این دسترسی به این رنگ‌دانه در مقیاس بالا تقریباً غیرممکن بود. اکنون تیمی از پژوهشگران به سرپرستی دانشگاه UC San Diego با مهندسی باکتری‌ها توانسته‌اند این رنگ‌دانه را به‌صورت کارآمد تولید کنند؛ دستاوردی که درک ما از استتار سفال‌پودها را عمیق‌تر و مسیرهای تولید شیمیایی پایدارتر را باز می‌کند.

چگونه پژوهشگران میکروب‌ها را ترغیب کردند تا رنگ‌دانه سفال‌پود تولید کنند

تولید زانتوماتین در آزمایشگاه سال‌ها ناممکن یا دست‌کم غیرعملی بود. استخراج آن از بافت‌های حیوانی ناکارآمد و مسیرهای سنتز شیمیایی بازده پایین و هزینه‌بر دارند؛ بنابراین پژوهشگران به سراغ رویکردهای نوظهور در زیست‌شناسی سنتتیک رفتند: برنامه‌ریزی میکروب‌ها برای ساخت مولکول‌های پیچیده.

به‌جای این‌که صرفاً ژن‌های سازنده رنگ‌دانه را وارد باکتری کنند و امیدوار باشند که فرایند به‌خوبی پیش برود، تیم یک استراتژی نوآورانه طراحی کردند که آن را «بیوسنتز جفت‌شده با رشد» (growth-coupled biosynthesis) نامیدند. به‌زبان ساده، آن‌ها مدارهای متابولیک باکتری را طوری بازطراحی کردند که بقای سلول وابسته به تولید زانتوماتین باشد. سلول‌های مهندسی‌شده تنها زمانی می‌توانستند رشد کنند که همزمان دو ترکیب ساخته شوند: خود رنگ‌دانه و اسید فرمیک (formic acid) که به‌عنوان سوخت متابولیک عمل می‌کرد.

فریب باکتری‌ها برای انتخاب رنگ‌دانه به‌جای صرفه‌جویی

باکتری‌ها به‌طرز قابل‌توجهی کارآمدند — آن‌ها انرژی را برای محصولات غیرضروری تلف نمی‌کنند. پژوهشگران از این خردمندی زیستی استفاده کردند و تولید رنگ‌دانه را برای رشد سلول ضروری ساختند. هر بار که یک باکتری یک مولکول زانتوماتین تولید می‌کرد، هم‌زمان سوخت لازم برای تقسیم را فراهم می‌نمود. نتیجه یک حلقهٔ بازخورد مثبت بود که سلول‌ها را وادار می‌کرد تولید رنگ‌دانه را در اولویت قرار دهند.

نویسندهٔ ارشد و سرپرست آزمایشگاه، بردلی مور (Bradley Moore)، تأکید کرد که این نخستین‌بار است که تیمی توانسته زانتوماتین را در یک باکتری با بازدهی قابل‌توجه صنعتی تولید کند. نویسندهٔ اصلی، لیا بوشین (Leah Bushin)، این رویکرد را توصیف کرد: ساختن سلول‌هایی "بیمار" که تنها از طریق تولید مداوم رنگ‌دانه می‌توانند به عملکرد طبیعی بازگردند.

در سطح تکنیکی‌تر، بازطراحی مسیر شامل معرفی مجموعه‌ای از ژن‌های هترولوگ، متعادل‌سازی کوفاکتورها (مانند NAD(P)H و ATP)، و کنترل نقطه‌ای مسیرهای جانبی بود تا جریان کربن به سمت سنتز زانتوماتین هدایت شود. همچنین مهندسی تنظیم‌کننده‌ها (regulatory elements) و پروموترها برای اطمینان از بیان مناسب ژن‌ها در مراحل رشد مختلف، از دیگر اجزای کلیدی بود. این اصلاحات همراه با استفاده از الگوریتم‌های طراحی متابولیک و مدل‌سازی شبکه‌ای انجام شد تا حدس‌ها به حداقل برسد و مسیرها منطقی و کارآمد باشند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

کشف حقیقت درباره رنگ آمیزی کوسه آبی و نقش آن در استتار دریایی

بررسی ماهیت واقعی رنگ‌آمیزی کوسه آبی دانشمندان به توانایی شگفت‌انگیزی در کوسه آبی (Prionace glauca) پی...

باکتری‌هایی که زانتوماتین را روی پتری‌دیش در آزمایشگاه تولید می‌کنند

دستاورد تیم — و اهمیت آن

گونه‌های مهندسی‌شده توانستند تا حدود 3 گرم رنگ‌دانه در هر لیتر محیط کشت (3 g/L) تولید کنند — یعنی تقریباً 1000 برابر بیشتر از روش‌های پیشین که تنها چند میلی‌گرم در لیتر حاصل می‌دادند. اگرچه عدد 3 گرم بر لیتر در مقایسه با مواد شیمیایی انبوه بسیار کوچک به‌نظر می‌رسد، اما برای یک رنگ‌دانهٔ طبیعی و ساختارشده مانند زانتوماتین این پیشرفت چشمگیر است و بطور قابل‌توجهی موانع پژوهشی و صنعتی را کاهش می‌دهد.

علاوه بر ارقام خام، این مطالعه چند ابزار مدرن را با هم تلفیق کرد: «تکامل آزمایشگاهی تطبیقی» (adaptive laboratory evolution) تا میکروب‌ها تحت شرایط انتخابی خود را بهینه کنند، و بیوانفورماتیک برای ساده‌سازی و کوتاه‌سازی مسیرهای بیوسنتزی تا میکروب‌ها بتوانند رنگ‌دانه را از یک خوراک ساده مانند گلوکز بسازند. این ترکیب موجب کاهش نیاز به چندین ورودی مغذی و اصلاح‌های دستی مستمر در مسیرها شد که در مهندسی سنتی متداول است.

چرا دنبال یک رنگ‌دانه از سفال‌پودها هستیم؟ برای زیست‌شناسان، دسترسی ساده‌تر به زانتوماتین شتاب‌دهندهٔ آزمایش‌هایی خواهد بود که بررسی می‌کنند سفال‌پودها چگونه در سطح سلولی و مولکولی رنگ را کنترل می‌کنند؛ از جمله چگونگی تعامل رنگ‌دانه‌ها با ساختارهای نوری پوستی مانند ایریدوفورها (iridophores) یا کروماتوفورها (chromatophores). برای مهندسان مواد و دانشمندان نور، این رنگ‌دانهٔ طبیعی با خواص اپتیکی ویژه می‌تواند الهام‌بخش توسعهٔ پوشش‌های پاسخ‌دهنده، استتار تطبیقی یا مواد فوتونیکی جدید باشد.

در سطح کلان‌تر، این کار یک اثبات مفهوم (proof of concept) است: بیوسنتز جفت‌شده با رشد را می‌توان به تولید سایر ترکیبات ارزشمند یا دشوار توسعه‌یابنده بسط داد؛ از جمله داروهای پیچیده، رنگ‌دانه‌های خاص یا مواد زیستی با ردپای کربنی کمتر. این رویکرد می‌تواند نقش مهمی در گذار به تولید شیمیایی پایدارتر و زیست‌پایه ایفا کند.

• زمینهٔ علمی: زانتوماتین یک رنگ‌دانهٔ اوموکروم (ommochrome) است که در جذب نور و مدولاسیون رنگ در بسیاری از سفال‌پودها نقش دارد.
• نقطهٔ برجستهٔ روش: اجباری کردن تولید رنگ‌دانه برای رشد باعث می‌شود میکروب‌ها منابع خود را به سمت ترکیب هدف اختصاص دهند.
• تأثیر بالقوه: از مطالعهٔ زیستی استتار تا مواد بیومیمتیک و مسیرهای بیوسنتزی پایدارتر برای تولید صنعتی.

دیدگاه کارشناسان

دکتر مایا چن (Maya Chen)، یک زیست‌شناس سنتتیک که در این مطالعه مشارکت نداشت، اظهار داشت: "این کار به‌صورت زیبا انتخاب کنش‌های تکاملی را با مهندسی عقلانی تلفیق می‌کند. با جفت‌کردن محصول مطلوب با میزان بقا (fitness)، پژوهشگران از بخشی از آزمون‌وخطاهایی که معمولاً توسعهٔ گونه‌ها را کند می‌کند، عبور کرده‌اند. این ایده برای تولید زیستیِ پایدار قدرتمند است — اما انتقال بازده‌های مقیاس آزمایشگاهی به راکتورهای صنعتی نیازمند بهینه‌سازی بیشتر و طراحی فرایند دقیق است."

تیم پژوهشی همچنین نکات عملی را خاطرنشان کرد: مقیاس‌بندی تولید شامل مهندسی تخمیر (fermentation engineering)، فرآیندهای تصفیهٔ پایین‌دستی (downstream purification) و بررسی‌های مقرراتی خواهد بود اگر این رنگ‌دانه‌ها در محصولات مصرفی کاربرد پیدا کنند. چارچوب‌های زیست‌امنیت و زیست‌ایمنی (biosecurity, biosafety) باید رعایت شوند، اما مسیر—از ویرایش ژن تا مقادیر معنادار رنگ‌دانه—به‌صورت اصولی نشان داده شده است.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

کشف رازهای ساعت زیستی بدن انسان

کشف ابعاد پنهان ساعت زیستی بدن ریتم شبانه‌روزی که هماهنگ‌کننده پیچیده زمان‌بندی فعالیت‌های بدن است، نه...

در سطح فنی، تبدیل نتایج آزمایشگاهی به تولید صنعتی مستلزم توجه به مسائلی مانند پایداری ژنتیکی گونه‌های مهندسی‌شده در دوره‌های طولانی تخمیر، کنترل تولید ناخالصی‌ها (impurity profiles)، بازده تصفیه و جداسازی مولکولی، و هزینهٔ خوراک (feedstock) است. همچنین بهینه‌سازی شرایط واکنش (pH, دما، میزان تهویه و میزان تغذیهٔ کربن) و طراحی راکتورهایی با نرخ انتقال جرم و گرما که با افزایش حجم مقیاس‌پذیری سازگار باشند، ضروری است.

پیامدهای گسترده و گام‌های بعدی

این نتیجه بیش از یک کارخانهٔ رنگ‌دانه است. این نشان می‌دهد چگونه می‌توان با روش‌های مهندسی و انتخاب هوشمندانه، میکروب‌ها را به تولید محصولات طبیعی کمیاب و با ساختار پیچیده ترغیب کرد — با کارآیی بسیار بالاتر از گذشته. اگر همین منطق جفت‌شده با رشد را بتوان برای مسیرهای دیگر به‌کار گرفت، تولیدکنندگان می‌توانند داروها، رنگ‌دانه‌های تخصصی یا بی‌مواد با هدررفت کمتر و ردپای کربنی پایین‌تر تولید کنند.

برای پژوهش‌های سفال‌پودها، دسترسی قابل‌اتکا به زانتوماتین یک محدودیت بزرگ آزمایشی را برمی‌دارد. پژوهشگران اکنون می‌توانند مطالعات کنترل‌شده‌ای در زمینهٔ اپتیک پوست، تعامل رنگ‌دانه‌ها با عناصر ساختاری رنگ مانند ایریدوفورها، و نمونه‌سازی مواد شبیه‌سازی‌کنندهٔ تغییر رنگ سریع را انجام دهند. این می‌تواند به درک عمیق‌تری از مبانی بیوفیزیکی رنگ‌آمیزی حیوانات و ایده‌های نوآورانه در مهندسی مواد منجر شود.

مسائل تصادفی و لحظات خوش‌شانسی هنوز هم در کشف نقش دارند: بوشین خاطره‌ای از یکی از روزهایش در آزمایشگاه نقل می‌کند که پس از بسترگذاری کشت، روز بعد برگشت و ظرف کشت را پر از رنگ‌دانه دید. او می‌گوید: "یکی از بهترین روزهای من در آزمایشگاه بود" — یادآوری این‌که مهندسی خلاق و آزمایش صبورانه همچنان راه‌های شگفت‌انگیزی برای بهره‌برداری از زیست‌شناسی آشکار می‌کند.

در ادامهٔ مسیر پژوهشی، تیم برنامه‌هایی برای بهبود بازده و همچنین بررسی خواص فیزیکی و اپتیکی زانتوماتین تولیدشده دارد. این شامل آنالیز ساختاری با طیف‌سنجی (MS, NMR)، بررسی پایداری نوری، و آزمون‌های تعامل با ماتریس‌های پلیمری برای استفادهٔ بالقوه در پوشش‌ها و مواد فوتونیکی است. هم‌زمان، کارهای پژوهشی برای تعمیم روش به سایر ترکیبات اوموکروم و پیگمنت‌های طبیعی در جریان است.

از منظر اقتصادی و زیست‌محیطی، تولید زیستی زانتوماتین می‌تواند هزینه‌ها را پایین بیاورد و اثرات زیست‌محیطی استخراج از منابع طبیعی یا سنتز شیمیایی پیچیده را کاهش دهد. با استفاده از خوراک‌های تجدیدپذیر مانند گلوکز یا شاخ‌وبرگ‌های تجزیه‌پذیر، چرخهٔ تولید می‌تواند به‌سمت اقتصاد دایره‌ای و انتشار کمتر گازهای گلخانه‌ای سوق یابد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

نسل جدید مواد زیست‌تخریب‌پذیر: زنده و پایدار

پیشرفت‌های نوآورانه در حوزه مواد زیست‌تخریب‌پذیر پیشرفت‌های خلاقانه در علم مواد زیستی، راه را برای جایگزین‌های...