ستكون البكتيريا قادرة على إنتاج البروتينات لاستخدامها في الفضاء

لقد أدت الطبيعة إلى تطوير مواد قائمة على البروتين ذات خصائص ميكانيكية تنافس حتى أفضل المواد الاصطناعية. على سبيل المثال - شبكات العنكبوت أقوى من الفولاذ. ومع ذلك، على عكس الفولاذ، لا يمكن إنتاج الألياف الطبيعية بكميات كبيرة. أعلن العلماء عن طريقة تستطيع البكتيريا من خلالها إنتاج شبكات عنكبوتية وبروتينات أخرى يمكن أن تكون فعالة أثناء المهام الفضائية

[ترجمة د.نحماني موشيه]

يقول الباحث الرئيسي: "في الطبيعة، هناك العديد من المواد القائمة على البروتين ذات الخصائص الميكانيكية المذهلة، لكن المعروض من هذه المواد عادة ما يكون محدودا". "يركز مختبري على الهندسة البكتيرية، بحيث لا نتمكن من إنتاج هذه المواد فحسب، بل حتى تحسينها." إذا كان من الممكن إنتاج شبكات العنكبوت بكميات كبيرة، فيمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، من الأقمشة المضادة للرصاص إلى الغرز الجراحية. ومع ذلك، فإن إنتاج شبكات العنكبوت يمثل تحديًا كبيرًا - تنتج العناكب كميات صغيرة، وتصبح بعض الأنواع آكلة لحوم البشر عندما يتم تجميعها معًا. ولذلك، حاول العلماء هندسة البكتيريا والخميرة والنباتات وحتى الماعز لإنتاج شبكات العنكبوت، لكنهم لم يتمكنوا بعد من تكرار الخواص الميكانيكية للألياف المنتجة في الطبيعة بشكل كامل.

يكمن جزء من المشكلة في حقيقة أن البروتينات التي تبني شبكة العنكبوت يتم تشفيرها بواسطة تسلسلات طويلة للغاية من الحمض النووي مع تكرارات عالية للأجزاء نفسها، وذلك بعد أن طورت العناكب طرقًا للحفاظ على هذه التسلسلات داخل جينوماتها. ومع ذلك، عندما أدخل العلماء هذا النوع من الحمض النووي في كائنات حية أخرى، أصبحت الجينات غير مستقرة، بل وتم تغييرها بواسطة الآلية الخلوية للمضيف. وتساءل باحثون من جامعة واشنطن عما إذا كان من الممكن تقطيع التسلسلات المتكررة الطويلة إلى أجزاء أقصر يمكن للبكتيريا استخدامها وإنتاج البروتينات بناءً عليها. بعد ذلك، تمكن الباحثون من ربط البروتينات الأقصر لتكوين شبكات عنكبوتية أطول.

أدخل فريق البحث الجينات في البكتيريا التي تشفر نوعين من البروتينات لشبكات العنكبوت، كل منها متصل بتسلسل يعرف باسم "إنترون". هذه التسلسلات هي تسلسلات بروتينية تحدث في الطبيعة ولها نشاط إنزيمي: يمكن لتسلسلين من هذا القبيل، كل منهما في نهاية بروتينين منفصلين، أن يرتبطا ثم ينفصلا لتكوين بروتين كامل وظيفي. وبعد إدخال الجينات، قام الباحثون بقص البنية البكتيرية وتنقية الأجزاء القصيرة من بروتين شبكة العنكبوت. أدى خلط الأجزاء القصيرة إلى اتحادها معًا باستخدام غراء نهايات الإنترونات لتكوين بروتين كامل. عندما يتم تحويل هذا المنتج إلى ألياف، فإن خيوط الحرير التي تنتجها البكتيريا تتمتع بجميع خصائص شبكات العنكبوت الطبيعية، بما في ذلك قوتها الاستثنائية ومتانتها وقابليتها للتمدد. حصل الباحثون على حرير باستخدام هذه الطريقة أكثر مما أنتجته العناكب (جرامان من الحرير لكل لتر من المزرعة البكتيرية)، ويحاولون حاليًا زيادة كفاءة العملية.

يستطيع الباحثون إنشاء مجموعة متنوعة من البروتينات ببساطة عن طريق تغيير الحمض النووي لشبكة العنكبوت وإدخال تسلسلات أخرى في البكتيريا. على سبيل المثال، استخدم الباحثون هذه الطريقة لإنشاء بروتين من العضلات يرتبط بإحكام بالأسطح، وهو بروتين يمكن استخدامه في المستقبل كغراء تحت الماء. الآن، يحاول الباحثون تحسين العملية بحيث يمكن أن يحدث تفاعل الارتباط بين أجزاء البروتين داخل الخلايا البكتيرية نفسها. يمكن لمثل هذه الآلية أن تحسن كفاءة النظام وإمكانيات التشغيل الآلي، وبالتالي لن يضطر الباحثون بعد الآن إلى تنقية جزأين البروتين وبعد ذلك فقط دمجهما معًا. وبالإضافة إلى التطبيقات التي سيتم تنفيذها هنا على الأرض، فإن نظام إنتاج البروتينات من البكتيريا يمكن أن يكون مفيدًا أثناء المهام الفضائية، ويضيف الباحث الرئيسي ويقول: "ناسا هي إحدى الجهات التي تمولنا، وهي مهتم بمجال الإنتاج الحيوي"، يقول الباحث. "في الوقت الحالي يقوم الباحثون في وكالة ناسا بتطوير تقنيات يمكن من خلالها تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات (سكريات) يمكن استخدامها كغذاء للبكتيريا غير المعدلة وراثيا. وبهذه الطريقة، سيتمكن رواد الفضاء من إنتاج المواد البروتينية التي يحتاجونها في الفضاء دون جلب كمية كبيرة من المواد الخام معهم من الأرض.

أخبار الدراسة