العشوائية والموسيقى وعلم الوراثة

إن رسم خريطة الجينوم لأي كائن حي، من الإنسان إلى البكتيريا، يزودنا بـ "البرنامج" الذي يتم من خلاله "الآلة" البيولوجية. ‬

إن رسم خريطة الجينوم لأي كائن حي، من الإنسان إلى البكتيريا، يزودنا بـ "البرنامج" الذي يتم من خلاله "الآلة" البيولوجية. لكن الجينات نفسها لا تقوم فعليا بعمليات الحياة. إنها توفر المعلومات اللازمة لبناء البروتينات، والتي تدير في كثير من الحالات نظامًا معقدًا من العمليات والتفاعلات التي تكون نتيجتها إنتاج الجزيئات ("النواتج الأيضية")، التي تلعب دورًا مركزيًا في عملية التمثيل الغذائي في الجسم. تتطلب عملية إنشاء كل من المستقلبات عملاً منسقًا جيدًا لأوركسترا تحتوي على عدة جينات. ويكفي أن يخضع أحد هذه الجينات لنوع من الطفرة، أو يتم التعبير عنه بشكل أو بآخر، بحيث يختل التوازن في الشبكة - بحيث لا يتم إنتاج المادة اللازمة لنشاط الخلية بالكمية اللازمة. قد يؤدي نقص المادة (المستقلب) أو زيادتها إلى حدوث اضطرابات وأمراض صحية مختلفة.

عادة ما تتم عملية إنتاج المستقلب من المواد الخام المختلفة في عدة "خطوات" (تفاعلات كيميائية حيوية). هذا هو المسار الأيضي. يوجد بروتين فريد (إنزيم) مسؤول عن كل خطوة في المسار. إنها عملية كيميائية معقدة ومتعددة الخطوات. وفي إحدى السلسلة، حيث تتشكل الملونات في الطبيعة، فإن المستقلب الأول الذي يستخدم كملون هو اللايكوبين، والذي، من بين أمور أخرى، يعطي الطماطم لونها الأحمر. والثاني في سلسلة التفاعل هو البيتا كاروتين، والذي، من بين أشياء أخرى، يعطي الجزر لونه البرتقالي، وهكذا. وفي المحطة الخامسة أسفل (أو أعلى) هذا المسار، يتكون المستقلب أستازانتين، وهو مضاد للأكسدة قد يشكل قاعدة للأدوية والعلاجات الطبية المختلفة.

لسوء الحظ، يتم إنتاج أستازانتين في الطبيعة في الطحالب التي يصعب نموها (فهي "فاسدة"، ولكي تتمكن من إنتاج المستقلب المطلوب، من الضروري توفير ظروف معيشية صارمة لها). وهذا هو بالضبط المكان الذي يمكن فيه استخدام الهندسة الوراثية. ومع ذلك، فإن الهندسة الوراثية العادية، التي تعتمد على إدخال جين واحد في جينوم النبات، أو البكتيريا، لا يمكنها توفير المستقلبات، لأنه من أجل إنتاجها، هناك حاجة إلى تنسيق عدة جينات جيدة التنسيق. ويسمى هذا التنسيق "الهندسة الأيضية".

قرر الدكتور رون ميلو، وطالبا البحث نيف أنتونوفسكي وليور سالزبوخ، من قسم علوم النبات في معهد وايزمان للعلوم، التعامل مع هذه المشكلة، كنوع من المهنة الجانبية، إلى جانب جهودهم في صنع بكتيريا الإشريكية القولونية. تمتص ثاني أكسيد الكربون - الأكسجين من الهواء، كما تفعل النباتات المختلفة. ولأن بكتيريا الإشريكية القولونية معروفة ومعترف بها في المختبرات في جميع أنحاء العالم كأدوات فعالة و"متعاونة" في مجال الهندسة الوراثية، فقد تساءلوا عما إذا كان من الممكن برمجة شبكة كاملة من الجينات، وكيف. وكحالة اختبارية، قرروا محاولة "إقناع" هذه البكتيريا بإنتاج الأستازانتين. ‬

بمعنى ما، هناك حاجة هنا لتخطيط عملية عمل متعددة المراحل، على غرار عمليات الإنتاج في المنشآت الصناعية. ومن الضروري التأكد من أن محطة معينة ستنتج كامل الكمية التي يمكن للمحطة التالية التعامل معها - وذلك ضمن تجنب الإفراط في الإنتاج الذي من شأنه أن يسبب "عنق الزجاجة"، أو من عدم كفاية الإنتاج الذي قد يؤدي إلى انخفاض الإنتاج. يتم التعديل بتقنية الهندسة الوراثية، في عدة جينات في نفس الوقت، مما يؤدي إلى تكوين عدد كبير جدًا من الأصناف، والتي يجب تحديد موقع الصنف المرغوب وتحديده من بينها.

استخدم العلماء طريقة تتيح إجراء تعديل دقيق وفعال لكثافة التعبير الجيني. "زر الطاقة" هذا هو في الواقع قطعة وراثية تقع في بداية الجين، ويرتبط بها الريبوسوم في بداية عملية ترجمة المعلومات الوراثية لجزيء البروتين. تؤدي التغييرات الصغيرة في هذا الجزء إلى حدوث تغييرات كبيرة في شدة التعبير عن الجين.

في المرحلة الأولى، قاموا بشكل عشوائي بتغيير "زر الطاقة" للجينات المشاركة في عملية إنتاج الأستازانتين، وأدخلوا الجينات المعدلة وراثيا لبكتيريا E.coli. هذه هي المرحلة التي تبدأ فيها البكتيريا في إنتاج الإنزيمات المهندسة، وتبدأ الإنزيمات في إنتاج المستقلبات المختلفة على طول المسار الأيضي ولكن كيف يمكنك التمييز بين البكتيريا المختلفة؟ كيف تعرف أي منهم ينتج أستازانتين بشكل أكثر فعالية؟ هذا هو المكان الذي تأتي فيه الطبيعة لمساعدة العلماء. وبما أن الأستازانتين يتميز باللون الوردي، فقد كان من الممكن فحص ومعرفة أي من البكتيريا (أو مستعمرات البكتيريا) ملطخة باللون الوردي الأكثر ملاءمة - وبالتالي التعرف على البكتيريا التي تكون فيها "خطوط الإنتاج" الأكثر كفاءة " خلقوا.

خضعت السلالات الواعدة لتحليل كيميائي حيوي لتحديد مستويات الأستازانتين المنتجة في البكتيريا. في الواقع، أدى "ضبط" التمثيل الغذائي الذي أجراه علماء المعهد إلى إنتاج مادة أستازانتين بكمية أكبر بخمس مرات من "المنتج" الذي تنتجه مجموعات بحثية أخرى في العالم، والتي استخدمت أيضًا الهندسة الأيضية في البكتيريا. وقد تم وصف هذا البحث مؤخرًا في مقال نشره العلماء في المجلة العلمية Nucleic Acids Research.
‭ ‬
ويأمل العلماء أن يتم استخدام هذه الطريقة لزيادة كفاءة عمليات إنتاج المواد النشطة بيولوجيا والأدوية في عمليات الهندسة الأيضية. ‬

الحق الأول
في سبعينيات القرن الماضي، نجح البروفيسور مردخاي إيفرون وشركاؤه الباحثون في معهد وايزمان للعلوم في تطوير طريقة لزيادة كبيرة في مستقلب كاروتين بيتا في Alga Dunaliella. ويعد هذا الاكتشاف حاليا أساس صناعة ناجحة تنتج البيتا كاروتين في الطحالب، وتسوقه بشكل رئيسي كمكمل غذائي في اليابان.

بين الطبيعة واللون
أستازانتين يعطي سمك السلمون وطيور النحام اللون الوردي. وتأكل الأسماك والطيور الطحالب التي تنتج المستقلب، وبالتالي تتلون بلونه. وفي المزارع التي يتم فيها تربية أسماك السلمون من أجل الغذاء، لا توجد طحالب، ولحم السمكة أبيض اللون. ولاستعادة لونها الوردي الذي يساعد على تسويق الأسماك، يقوم المربون بإضافة مادة الأستازانتين إلى علف الأسماك.