كثيفة في الجينوم

أراد البروفيسور روي بار زيف، من قسم المواد والسطوح في كلية الكيمياء، إنشاء نظام اصطناعي يجمع بين سهولة تجارب أنبوب الاختبار وظروف الكثافة الحقيقية للخلية

لا بد أن أي شخص شاهد محطة قطار مزدحمة قد لاحظ أن الحشود غير موزعة بالتساوي داخلها - فالكثافة تتركز حول شباك التذاكر والأكشاك والمنصات. وعلى الرغم من أن هذه المجمعات ليست محددة بجدران، إلا أن العمليات المختلفة تتم ضمن أقسام محددة - نوع من الخلايا المفتوحة المنفصلة. يستخدم العلماء في معهد وايزمان للعلوم مبدأً مشابهًا لحشر الجينات في أقسام صغيرة على الشريحة. وبهذه الطريقة، يمكنهم أيضًا اكتشاف كيف يمكن لهذا النوع من استراتيجيات "إدارة الحشود" أن يساهم في تطوير طرق للتحكم في أنشطة الجينات في الخلايا. الطريقة الجديدة التي طوروها تمنحهم أداة جديدة لتنشيط الجينات في التجارب المعملية بطريقة أكثر واقعية. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون ذلك خطوة مهمة في الجهود المبذولة لإنشاء خلايا صناعية. يحدث النشاط الجيني في الكائنات الحية في المساحات الكثيفة للخلية، أو في نواة الخلية. تشير النتائج الأخيرة إلى أن أنواعًا معينة من النشاط محددة في مناطق مختلفة داخل الفضاء النووي المضغوط.

في المقابل، في التجارب المعملية التي تحاكي النشاط الخلوي، عادة ما تطفو خيوط الحمض النووي والجزيئات الأخرى بحرية في المحلول. أراد البروفيسور روي بار زيف، من قسم المواد والسطوح في كلية الكيمياء، إنشاء نظام اصطناعي يجمع بين سهولة تجارب أنبوب الاختبار وظروف الكثافة الحقيقية للخلية. بالتعاون مع الطالب الباحث في ذلك الوقت، أمنون بوكباوم، طور البروفيسور بار-زيف طريقة لربط خيوط الحمض النووي الطويلة نسبيًا بالسطح، لإنشاء نوع من فرشاة الحمض النووي السميكة والكثيفة. وباستخدام تقنية الطباعة الحجرية الضوئية، المستخدمة في مجال الإلكترونيات الدقيقة، تمكنوا من إنشاء "صور فوتوغرافية" مطبوعة مفصلة، ​​بحيث لا تتجاوز المسافة بين شعيرات الحمض النووي في الفرشاة حوالي 30 نانومتر.

وبعد الانتهاء من تطوير الفرشاة، تحول أعضاء الفريق البحثي - ومن بينهم طالب البحث دان براخا والدكتورة شيرلي دوبا، مديرة مختبر علوم النانو في قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية في معهد وايزمان للعلوم - للتحقق من ما هو الحمض النووي يمكن للفرش أن تعلمهم عن نشاط الجينات في ظل الظروف الكثيفة. ولهذا الغرض، بدأوا بأبسط سيناريو: قاموا بإنشاء فرش الحمض النووي التي تتكون شعيراتها من جين واحد، وفحصوا المرحلة الأولى من النشاط الجيني - إنشاء خيوط الحمض النووي الريبي (RNA) وفقًا للشفرة الوراثية، مقارنة بنفس العملية في جزر الحمض النووي التي تطفو بحرية في المحلول. كانت فرش الحديقة التي أنشأها الفريق بمثابة حجرات منفصلة صغيرة. واكتشف الباحثون أن في هذه الأقسام ظروفا مختلفة عن بقية البيئة، على الرغم من عدم وجود انفصال مادي. كما اختبر العلماء نشاط فرش الجينات الخاصة بهم في ظل الظروف البيئية المتغيرة - على سبيل المثال، عن طريق تغيير تركيز الأملاح في المحلول، أو إضافة مواد كيميائية تؤثر على نشاط الحمض النووي - ووجدوا أن نشاط الجينات الكثيفة في الفرشاة يتوافق مع أكثر بكثير من الواقع (لنشاط الجينات في الخلية) مقارنة بدرجة ملاءمة نشاط الجينات العائمة في المحلول، وفيما بعد قام العلماء بتوسيع أو تضييق المسافات بين الخيوط؛ إضافة كميات متفاوتة من الحمض النووي "غير المرغوب فيه" (مادة وراثية غير مشفرة للبروتين) بين الجينات؛ وقاموا بعكس اتجاه الجينات، بحيث كانت المعلومات الجينية التي تأمر بـ "بدء النسخ هنا" في بعض الحالات قريبة من الجانب الحر لشعيرات الفرشاة، وفي أحيان أخرى كانت قريبة من النهاية ملتصقة بالسطح.

واكتشف الباحثون أن كل هذه التغييرات لها تأثير على سرعة عمل الجينات، بما في ذلك تلك التي لا ترمز للبروتين. أدت الزيادة في كثافة الشعيرات إلى إبطاء العملية، كما حدث مع وضع رمز "البدء" بالقرب من قاعدة الفرشاة. يبدو أن المصفوفة الكثيفة تحد من إمكانية وصول الحمض النووي إلى آلات النسخ (الإنزيمات التي تصنع جزيء الحمض النووي الريبي)، كما تحافظ على الآلات والحمض النووي الريبي الذي تم إنشاؤه داخل القسم المنفصل لفترة أطول من الزمن. بالإضافة إلى ذلك، وجد العلماء أن ترتيب الفرشاة يسمح لهم بالتحكم في اتجاه نسخ المعلومات الوراثية (وبالتالي إخراج البروتينات المتكونة عليها) - وهو التحكم غير الممكن في التجارب التي يتم إجراؤها في المحاليل، ولكن من الممكن عادة في الخلايا الحقيقية. وعلى الرغم من أن الجينات في الخلايا الحية لا يتم ترتيبها في صفوف منظمة ومتوازية، إلا أن العلماء يعتقدون أن النموذج الذي طوروه يسمح بإلقاء نظرة مهمة على كيفية تأثير الترتيب الفيزيائي لخيوط الحمض النووي على نشاطها. وهكذا، على سبيل المثال، يفترضون أن الحمض النووي غير المرغوب فيه، والذي يشكل حوالي 90٪ من جميع المواد الوراثية في خلايانا، قد يعمل بمثابة "مادة تعبئة" تحافظ على المستوى الضروري من الكثافة.

بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج التي توصلوا إليها إلى أن الفصل إلى أقسام يُستخدم كاستراتيجية مشتركة، مما يوفر المساحة ويحافظ على النظام في الخلية المزدحمة والمزدحمة. يقول البروفيسور بار زيف: "من الممكن أن تكون هذه الأقسام المفتوحة قد سبقت الزنزانة المغلقة". "من المحتمل أن الخلايا الأولية لم تكن محاطة بغشاء، بل كانت عبارة عن بنية تتجمع فيها الجزيئات المعقدة معًا، ومن الممكن أن يتم الحفاظ على هذه البنية كمبدأ تنظيمي أساسي".

يؤكد البروفيسور بار زيف على أن أعضاء فريق البحث جلبوا مهارات ومجالات تدريب مختلفة إلى المختبر. وكان من بينهم فيزيائيون وكيميائيون حيويون ومتخصصون في الهندسة الحيوية. ويقول: "إن الجمع بين هذه المجالات هو الذي جعل هذا البحث ممكنًا". في المستقبل، يخطط البروفيسور بار-زيف وفريقه لمواصلة تحسين قدرات فرش الجينات، وإجراء عمليات مختلفة في مواقف أكثر تعقيدًا - بما في ذلك صفائف تتضمن عدة أنواع من الجينات، أو تغييرات في التركيبة الجينية. مادة. في المستقبل، يهدف العلماء إلى إنشاء كروموسوم اصطناعي، وربما حتى خلية اصطناعية. البروفيسور بار زيف: "بالمقارنة مع رقائق الجينات الموجودة اليوم، والتي تعتبر أداة تشخيصية سلبية، فإن الجينات الموجودة في فرشنا نشطة، ونريد أن نتعلم كيفية التحكم في نشاطها".