الباحثون العراقيون Iraqi Researchers
لقد أمضت الحياة المليارات من السنوات الماضية تعمل مع مفردات ضيقة. والآن قد كسر الباحثون تلك القواعد، مضيفين قواعد إضافية إلى المعجم المحدود للبيولوجيا.
قام الكيميائي فلويد رومسبيرج (Floyd Romesberg) من معهد سكريبس (Scripps) للأبحاث في لا جولا بولاية كاليفورنيا، وزملاؤه بالتلاعب بالخلايا البكتيرية الإشريكية القولونية (Escherichia coli) لإدراج نوعين من القواعد الكيميائية الغريبة، أو الحروف، في الحمض النووي. ثم استخدمت الخلايا تلك المعلومات لإدراج الأحماض الأمينية غير الطبيعية في البروتين المستشع 1.
يرمز للمعلومات الموروثه للكائنات الحيه الطبيعيه باستخدام أربع قواعد فقط: أدينين (A)، ثيمين (T)، السيتوزين (C) و غوانين (G). تشكل هذه الأزواج التي تعقد معا الحلزون المزدوج الحمض النووي DNA، ومختلف تسلسل ثلاثة قواعد رمز لكل من الأحماض الأمينية ال 20 التي تشكل البروتينات في الخلايا الحية. العمل الجديد هو أول من يظهر أن القواعد غير الطبيعية يمكن أن تستخدم لصنع البروتينات داخل خلية حية.
ويقول رومسبرغ إن الإنجاز، الذي يقول إن البيولوجيا التركيبية – وهي حقل يركز على تشبع الكائنات الحية باالصفات الجديدة – يمكن أن تحقق أهدافها عن طريق إعادة اختراع أبسط جوانب الحياة. يقول: “ليس هناك نظام بيولوجي أساسي وأكثر ارتباطا بما نكون عليه من تخزين المعلومات واسترجاعها”. “ما قمنا به هو تصميم جزء جديد يعمل بالحقيقه جنبا إلى جنب مع الأجزاء الموجودة ويمكن أن تفعل كل ما تفعله”.
الأبجدية المضافه..
تحاول عدة فرق توسيع الشفرة الوراثية. ويمكن ترتيب قواعد الحمض النووي الطبيعية الأربعة في 64 مجموعه مختلفة من ثلاثة أحرف، تسمى الكودونات، التي تحدد الأحماض الأمينية. ولكن التكرار في هذا الرمز – على سبيل المثال، CGC، VGA، CGG و CGTكل موقف للأرجينين الأحماض الأمينية – يعني أن تقريبا جميع البروتينات اللازمة للحياة مصنوعة فقط من 20 حمض أميني.
ويعمل الباحثون بما في ذلك عالم الوراثة جورج تشورش George Church من كلية الطب بجامعة هارفارد في بوسطن، ماساتشوستس، على إعادة استخدام الكودونات الزائدة لتحديد الأحماض الأمينية الجديدة. تقوم مجموعة رومسبرغ Romesberg’s group باستكشاف إستراتيجية مختلفة: إضافة زوج قاعدة جديدة تماما إلى الحمض النووي. وهذا من شأنه أن يزيد بشكل كبير من عدد من الكودونات الممكنة، من الناحية النظرية إعطاء الخلايا القدرة على استغلال أكثر من 100 حمض أميني إضافي.
على الرغم من أن تشورش لا يزال يعتقد أن نهجه هو أكثر عملية لمعظم التطبيقات، وقال انه يصف العمل الجديد باعتباره “معلما في استكشاف اللبنات الأساسية للحياة”.
وتخيل الباحثون لأول مرة الأبجدية الوراثية الموسعة في أوائل 1960s. وجاء أول نجاح كبير في عام 1989، عندما قام فريق بقيادة الكيميائي ستيفن بينر Steven Benner ، ثم في المعهد الاتحادي السويسري للتكنولوجيا Swiss Federal في زيوريخ، مصوغة جزيئات الحمض النووي التي تحتوي على أشكال معدلة من السيتوزين و guanine2. هذه الأحرف DNA “الغريب”، كما دعاهم بنر Benner، يمكن ان تكرر وجعل الحمض النووي الريبي RNA والبروتينات في أنبوب الاختبار للتفاعل.
الحمض النووي ألغريب
على مدى العقدين الماضيين، صنع فريق رومزبيرج Romesberg’sمئات من الازواج لجزيئات الحمض النووي الغريبه . على عكس أزواج القاعدة التقليدية في الحمض النووي وتلك التي أدلى بها فريق بينر – التي ترتبط ببعضها من قبل ذرات الهيدروجين المشتركة – هذه القواعد الغريبه تلتصق معا بسبب عدم قابليتها للذوبان في الماء، وتحاكي إلى حد كبير قطرات الشحوم عندما تتجمع في الماء.
على الرغم من ذلك، فإن أزواج القاعدة الغريبه تحتاج إلى البقاء جنبا إلى جنب مع القواعد الطبيعية دون تغيير شكل الحمض النووي أو تعطيل المهام الأساسية، مثل العمليات التي تنسخ الحمض النووي بصدق وتنسخه في رنا RNA رسول – وهو جزيء وسيط بين الحمض النووي و البروتينات. في عام 2014، أفاد مختبر رومسبرغ Romesberg’sانطلاقة: سلالة من E. Coli القولونية مع حلقة من الحمض النووي تحتوي على زوج واحد غير طبيعي قاعدة 3. تم إجراء “الحمض النووي الغريب” alien DNA من المواد الكيميائية ودعا dNaM و d5SICS (يطلق عليها اسم X و Y، على التوالي). ولكن الخلايا انقسمت ببطء، وتميل إلى فقدان الحمض النووي الغربب مع مرور الوقت. وفي أحدث الأبحاث (1)، التي تم الإبلاغ عنها في ناتشر Nature في 29 تشرين الثاني / نوفمبر، أنشأ الفريق خلايا صحية يمكن أن تمارس في النهاية دناها DNA الغريب. في تجارب منفصلة، أدرجت الخلايا اثنين من الأحماض الأمينية غير طبيعية (تسمى PrK و pAzF) في البروتين الذي يبعث نور أخضر خافت. تم تغذية كل من القواعد الغريبه والأحماض الأمينية إلى الخلايا، وأي كائن حي هرب بطريقة أو بأخرى من المختبر لن يكون قادرا على إنتاجها. للسماح للخلايا باستخدام هذه المكونات الجديدة، أنشأ الباحثون إصدارات معدلة من الجزيئات تسمى tRNAs ، والتي تعمل على قراءة الكودونات وعبور الأحماض الأمينية المناسبة لمصانع البروتينات الخلايا – ريبوسوم.
لم تغير الأحماض الأمينية الجديدة شكل أو وظيفة البروتين المشع الأخضر. لكن “الآن يمكننا تخزين المعلومات واسترجاعها”، يقول رومسبرج: “لنفعل شيئا معها”. في عمل غير منشور، قام فريقه بإدراج زوج قاعدة غريبه في موقع رئيسي في الجين المتورط في مقاومة المضادات الحيوية. البكتيريا التي تسلط الحمض النووي الغريب تصبح حساسة للأدوية المتعلقة البنسلين.
في ورقة نشرت في وقت سابق من هذا العام 4، أنشأ فريق رومزبيرج E. Coli أكثر صحية، شبه اصطناعية التي لم ترفض بسهولة دنا الغريب (في هذا الإصدار، تم استبدال d5SICS مع مادة كيميائية على شكل مماثل يسمى dTPT3). لكن هذه السلالة، كما فعلت في عام 2014، تفتقر إلى القدرة على استخدام الكودونات الجديدة.
.. متجر الحلوى..
بدأت رومسبرغ شركة التكنولوجيا الحيوية، تدعى سينثوركس Synthorx ، وكذلك في لا جولا La Jolla ،التي تحاول دمج الأحماض الأمينية غير طبيعية في العقاقير القائمة على البروتين مثل IL-2، وهو البروتين الذي ينظم أعداد خلايا الدم البيضاء. ويمكن استخدام هذا النهج لتصميم العقاقير التي تتناولها الخلايا بسهولة أكبر، على سبيل المثال، أو التي تكون أقل سمية أو تنهار بسرعة أكبر. ويمكن أيضا أن تصمم البروتينات لتكون لها خصائص تفتقر إلى الأحماض الأمينية التقليدية، مثل القدرة على جذب الإلكترونات بقوة. يقول رومزبرغ: “إنه مثل طفل في متجر للحلوى”. ولكن في هذه الحالة، “قضى الطفل 20 عاما في تخيل حول الدخول الى هذا المحل للحلوى، وفجأة أنا أفكر ما هو نوع الحلوى التي يمكنني الحصول عليها”.
قام فرق بقيادة بينر وإيشيرو هيراو Benner و Ichiro Hirao ، الكيميائي البيولوجي في معهد الهندسة الحيوية والتكنولوجيا النانوية في سنغافورة، بتطوير أنظمة أنابيب اختبار لاستخدام الحمض النووي الأجنبي لترميز الأحماض الأمينية غير الطبيعية. ولكن هيراو يرى مزايا للانتقال إلى الخلايا الحية. يمكن أن تكون البروتينات التي تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية على نطاق أوسع وبتكلفة أقل باستخدام الخلايا البكتيرية، كما يقول. ومن شأن جلب التكنولوجيا إلى خلايا حقيقية النواة أن يسمح بتطوير أدوية جديدة من الأجسام المضادة أيضا.
ومع ذلك، بينر، الذي يوجد مقره الآن في مؤسسة التطور الجزيئي التطبيقي بالقرب من غينسفيل، فلوريدا، يشير إلى أن نظام رومزبيرج يعتمد على قوى نافره للماء ضعيفة نسبيا لعقد أزواج قاعدة غريبه معا، قد تكون إمكاناتها للتطبيقات الصناعية محدودة. قد تتسامح الخلايا مع القاعدة الخارجية النادرة، كما يقول بينر، ولكن “ببساطة لا يمكن بناء نظام وراثي كامل منهم”.
يعمل رومسبرغ وزملاؤه الآن على توسيع أبجديتهم الوراثية. وحتى الآن، حدد الفريق 12 كودونات أخرى تحتوي على X و Y وظيفية، كما يقول رومسبرغ، ولكن “هناك الكثير الذي يجب القيام به”.
