كائن حي شبه اصطناعي: ابتكر العلماء أول بكتيريا تترجم زوجًا من أحرف الحمض النووي الاصطناعي

تم ربط الزوجين المعروفين في الطبيعة - AT وCG، بزوج جديد d5SICS-dNaM في بكتيريا E. coli التي نجحت في تكرارهما بشكل جيد. وبهذه الطريقة، سيكون من الممكن إنشاء منتجات بيولوجية جديدة تمامًا بدءًا من الأدوية وحتى تكنولوجيا النانو

نجح علماء في معهد أبحاث النصوص في كاليفورنيا في هندسة بكتيريا تحتوي مادتها الوراثية على زوج إضافي من أحرف الحمض النووي - وهي قاعدة غير موجودة في الطبيعة. يمكن للخلية البكتيرية أن تكرر قاعدة الحمض النووي الاصطناعي بشكل طبيعي إلى حد ما، طالما أنها مزودة بوحدات البناء الجزيئية.

وقال البروفيسور فلويد رامسبرغ من جامعة TSRI الذي قاد البحث: "إن الحياة على الأرض، على الرغم من كل تنوعها، مشفرة باستخدام زوجين من قواعد الحمض النووي: الزوج AT وCG والآن أنشأنا زوجًا ثالثًا غير طبيعي".

"وهذا يدل على أن الحلول الأخرى لتخزين المعلومات الجينية ممكنة، وبطبيعة الحال، سيسمح لنا هذا بالتقدم إلى بيولوجيا الحمض النووي الموسعة التي يمكن أن توفر العديد من التطبيقات - من الأدوية إلى أنواع جديدة من تكنولوجيا النانو.

تم الإبلاغ عن هذا الإنجاز في 7 مايو في منشور مبكر على الإنترنت لمجلة Nature.

كان رومسبيرغ وزملاؤه يبحثون منذ أواخر التسعينات عن أزواج من الجزيئات التي يمكن استخدامها كقواعد جديدة للحمض النووي - وعلى وجه الخصوص، تلك التي يمكن أن ترمز للبروتينات وحتى الكائنات الحية التي لم تكن موجودة على الإطلاق.

لم تكن المهمة سهلة. سيُطلب من كل زوج من قواعد الحمض النووي أن يقترن بطريقة متوافقة مع القواعد الطبيعية الأدينين-ثيمين والسيتوزين-جوانين. ستكون هذه القواعد الجديدة مطلوبة لتصطف جنبًا إلى جنب مع القواعد الطبيعية في الحمض النووي الخاص بأبحاث الحمض النووي. سيُطلب منهم الانفصال والعودة معًا بسلاسة عندما يتم تنشيط إنزيمات البوليميراز عليهم أثناء إعادة كتابة الحمض النووي ونسخه إلى الحمض النووي الريبي (RNA). بطريقة ما، سيتعين على هذه النسخ أن تتجنب الهجوم والإزالة بواسطة آليات الإصلاح الطبيعية للحمض النووي.

وعلى الرغم من هذه التحديات، أعلن رامسبيرغ وزملاؤه في عام 2008 أنهم خطوا خطوة مهمة نحو هذا الهدف. وفي دراسة نُشرت في ذلك الوقت، حددوا سلسلة من الجزيئات النووية التي يمكنها الاتصال بالحلزون المزدوج للحمض النووي تقريبًا مثل أزواج القواعد الطبيعية، وأظهروا أن الحمض النووي الذي يحتوي على أزواج القواعد غير الطبيعية هذه يمكنه التكاثر في وجود الإنزيمات الصحيحة. وفي دراسة أخرى في نفس العام، أظهر الباحثون أنهم تمكنوا من العثور على إنزيمات تعيد إنتاج الحمض النووي شبه الاصطناعي إلى الحمض النووي الريبي (RNA).

ومع ذلك، كان العمل بسيطًا جدًا وتم إنجازه في أنبوب اختبار. قال دينيس ماليشيف، عضو مختبر رومسبيرج، والباحث الرئيسي في الدراسة الجديدة: "هذه الأزواج الأساسية غير الطبيعية عملت بشكل جيد في المختبر، لكن التحدي كان يتمثل في جعلها تعمل في بيئة أكثر تعقيدًا للخلية الحية".

أدت الطحالب الدقيقة إلى هذا الاختراق

وفي الدراسة الجديدة، قام الفريق بتركيب شريط من الحمض النووي الدائري المعروف باسم البلازميد وإدخاله في خلية من بكتيريا الإشريكية القولونية الشهيرة. يحتوي الحمض النووي للبلازميد على أزواج TA وCG طبيعية مع أفضل أزواج القواعد التي أمكن إنتاجها في المختبر، وتعرف الجزيئات باسم: d5SICS وdNaM. وكان الهدف هو إقناع الخلايا E. coli لتكرار الحمض النووي شبه الاصطناعي بشكل طبيعي قدر الإمكان.

ربما كان العائق الأكبر هو الوعد الذي تم تقديمه لأولئك الذين يخشون الإطلاق غير المنضبط لشكل حياة جديد - فاللبنتان الأساسيتان غير موجودتين بشكل طبيعي، لذا فإن إقناع E. coli لتكرار الحمض النووي الذي يحتوي عليها، قدم الباحثون وحدات البناء الجزيئية (تسمى ثلاثي الفوسفات) بشكل صناعي عن طريق إضافتها إلى المحلول السائل خارج الخلية. وبعد ذلك، لإدخالها إلى الخلايا، احتاجوا إلى جزيئات خاصة لنقل ثلاثي الفوسفات للقيام بهذه المهمة.

تمكن الباحثون من العثور على مثل هذا الناقل، وهو جزيء موجود في نوع من الطحالب الدقيقة، وكان جيدًا بما يكفي لإجراء هذا الإدخال. "لقد كان هذا إنجازنا الكبير - والذي جعل من الممكن بناء البكتيريا مع القواعد الإضافية.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

بكتيريا معدلة وراثيا مع الحمض النووي الاصطناعي

12% فقط من المادة الوراثية الموجودة في البكتيريا ضرورية للحياة

وعلى الرغم من أن الانتهاء من المشروع استغرق سنة أخرى، إلا أنه لم يتم اكتشاف المزيد من العوائق. اكتشف أعضاء الفريق بدرجة ما من المفاجأة أن البلازميد شبه الاصطناعي يتضاعف بسرعة ودقة معقولتين، ولم يتداخل مع نمو الخلايا البكتيرية ولم يظهر أي علامات على فقدان أزواج القاعدة غير الطبيعية بواسطة آليات إصلاح الحمض النووي.

لقد أوقفنا الآن تدفق وحدات البناء الاصطناعية (ثلاثي الفوسفات)، وكان معدل دوران d5SICS-dNaM مع أزواج القاعدة الطبيعية مناسبًا تمامًا لآلية النسخ الخاصة بالخلية - ولا يبدو أن أي عامل "تم طرده". الزوج الجديد" قال ماليشيف. "من المهم أن نلاحظ أن الاختراقين يوفران أيضًا التحكم في النظام. لا يمكن لقواعدنا الجديدة أن تدخل الخلية إلا إذا قمنا بتشغيل بروتين نقل البروتين. بدون هذا البروتين أو عندما لا يتم توفير القواعد الجديدة، ستعود الخلية إلى A,T,C,G بينما سيختفي d5SICS وdNaM من الجينوم.

ستكون الخطوة التالية هي إثبات أن النسخ داخل الخلية لأحرف الألف بايت من DND إلى RNA يمكن أن يغذي آلية تخلق البروتينات في الخلية. وقال رومسبيرج: "في الأساس، يمكننا تشفير البروتينات المصنوعة من الأحماض الأمينية الجديدة والصناعية، وهو الأمر الذي سيمنحنا قوة أكبر من أي وقت مضى لتخصيص البروتينات لأغراض الشفاء والتشخيص، وكذلك استخدامها في المختبر للحصول على خصائص جديدة". "من الممكن أيضًا استخدام تطبيقات إضافية مثل المواد النانوية."

تم تمويل البحث جزئيًا من قبل المعاهد الوطنية الأمريكية للصحة.

للحصول على معلومات على الموقع الإلكتروني لمعهد أبحاث النصوص