ابتكر علماء معهد وايزمان للعلوم أصغر دائرة وراثية صناعية على الإطلاق. ومن المتوقع أن يؤدي التطور الجديد القائم على جزيء DNA واحد إلى تعزيز الجيل القادم من تطبيقات التكنولوجيا الحيوية النانوية
لاحظ علماء معهد وايزمان للعلوم مؤخرًا بروتينًا يولد خارج الخلية من جزيء DNA واحد. لقد كان حدثًا غير مسبوق، لكن ما تلا ذلك لم يكن أقل ابتكارًا: فقد سمحت لهم الأفكار المستقاة من الملاحظة بالتخطيط للحدث أصغر دائرة وراثية صناعية على الإطلاق - إنجاز علمي من المتوقع أن يساعد في إنشاء خلايا صناعية وأجهزة بيولوجية مصغرة. يقول الدكتور فرديناند جريس، الذي قاد البحث في البروفيسور: "لقد اكتشفنا مبدأ تصميم ذكي للغاية في الطبيعة، واعتمدناه لإنشاء دائرة وراثية مستقلة تعتمد على جزيء DNA واحد". روي بار زيف في قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية بالمعهد.
مثل الدائرة الكهربائية التي تتكون من مجموعة من المكونات التي تعمل معًا للقيام بعمل معين، على سبيل المثال تشغيل أو إيقاف تشغيل المصباح الكهربائي، فإن "الدائرة الجينية" هي صورة لشبكة من المكونات الخلوية - الجينات والمحفزات وبروتينات التحكم - التي تعمل معًا للقيام بعملية التعبير الجيني ووظائف أخرى. وكما أن الدائرة الكهربائية هي وحدة أساسية مستقلة في الأجهزة الإلكترونية الأكثر تعقيدا، فإن الدائرة الجينية هي أيضا وحدة مستقلة قد تشكل الأساس لتطوير الآلات البيولوجية الاصطناعية التي سيتم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية والصناعية.
لا خمول في الستين
تعتبر الخلايا الاصطناعية مجالًا مركزيًا للبحث في مختبر البروفيسور بار-زيف. وكجزء من أبحاث ما بعد الدكتوراه، قام الدكتور جريس بدراسة جوانب مختلفة من التعبير الجيني - أي إنتاج البروتينات بناءً على "الوصفات الطبية" المشفرة في الجينات - في إطار الخلايا الاصطناعية، وقد صممها لهذا الغرض تم استخراج جزيئات الحمض النووي من بكتيريا E.coli وأنشأت منها دائرة وراثية أساسية - وهو الجين الذي يرمز لبروتين تحكم يعمل كزر تشغيل ويقوم بدوره بتنشيط جين مستهدف آخر، حيث قام بربط علامة بالجين المستهدف؛ الفلورسنت الذي يضيء عند التعبير عن الجين ويسمح لك بالحصول على مؤشر لاكتمال العملية. أولاً، قام الدكتور جريس بإدخال حوالي 10 جزيئات DNA معدلة وراثيًا في خلية اصطناعية. في الخلية الحية كما في الخلية الاصطناعية، غالبًا ما تكون هناك حاجة لمئات أو آلاف النسخ من بروتينات التحكم لضمان حدوث التقابل مع الجين المستهدف فعليًا. ومن ناحية أخرى، فإن الجزيئات العشرة العائمة في محيط سائل الخلية مثل بقايا حطام السفينة، ليس من المفترض أن تصل إلى ميناء آمن بسهولة وبسرعة. ومع ذلك، لمفاجأة العلماء، تم تشغيل علامة الفلورسنت على الفور تقريبًا. كيف وجد عدد قليل جدًا من بروتينات التحكم طريقها إلى الحمض النووي بهذه السرعة؟
وكانت الخطوة التالية أكثر إثارة للدهشة: حتى عندما استخدم الدكتور جريس جزيءًا واحدًا من الحمض النووي، تم تشغيل علامة الفلورسنت بسرعة كبيرة. والتفسير المحتمل لذلك هو أن بروتين التحكم لا يطفو في سائل الخلية ولكنه يظل مرتبطًا بشكل مؤقت في الواقع، أشارت الدراسات السابقة بالفعل إلى وجود مثل هذا الاحتمال في البكتيريا مثل الإشريكية القولونية، لكن هذه الفرضية لا يمكن تأكيدها بالتكنولوجيا الحالية والسبب: أن إنتاج البروتينات عملية سريعة وتستغرق وقتًا أقل دقيقة واحدة، في حين أن علامات الفلورسنت غالبا ما تحتاج إلى بضع دقائق لتضيء.
وبالتعاون مع زملائه من ألمانيا، طور الدكتور جريس نوعًا جديدًا من العلامات التي يمكن تشغيلها في بضع عشرات من الثواني، ثم قام ببناء جهاز سمح له باستخدام العلامة الجديدة لمراقبة الجزيئات الفردية تحت المجهر "هي الطريقة التي تمكن بها هو وزملاؤه من مراقبة بروتين التحكم في حديثي الولادة ورؤية أنه يظل في الواقع باقياً فوق جزيء الحمض النووي مثل طفل مربوط بالحبل السري لأمه. "لقد انبهرت باكتشاف كيف خلق التطور تصميمًا فعالاً من حيث التكلفة كثيرًا"، يقول الدكتور جريس، ويضيف أن النتائج أكدت تجريبيًا الفرضية المتعلقة بوجود مبدأ التخطيط الجيني الذي كان حتى ذلك الحين مجرد نظرية.
لاحقًا، استخدم العلماء هذا المبدأ لهندسة دائرة وراثية كاملة على جزيء DNA واحد. بالإضافة إلى مفتاح التشغيل، أضافوا أيضًا مفتاح إيقاف التشغيل، وتمت برمجة كلا المفتاحين ليظلا متصلين بالحمض النووي حتى يتم الانتهاء من عملهما. وفي المستقبل، واستنادا إلى نفس مبدأ التصميم، سيكون من الممكن إضافة المزيد والمزيد من الوظائف والقدرات إلى الدوائر الجينية الاصطناعية.
يقول البروفيسور بار زيف: "لقد أظهرنا أن جزيء DNA واحد يمكن أن يكون بمثابة الأساس لدائرة وراثية بأكملها". "وهذا يعني أنه يمكننا رؤية جزيء الحمض النووي كوحدة مستقلة لا يلزم أن تكون محصورة داخل غشاء، ولكن يمكن أن تعمل في أي حجم من الخلايا، وبالتالي يمكن استخدامها كجهاز مصغر مستقل في العديد من التطبيقات المستقبلية، من الحسابات البيولوجية للتشخيص والعلاج الطبي."
وشارك في الدراسة أيضًا الدكتور شيرلي دوبا من مختبر البروفيسور بار زيف؛ والدكتور نيكولاس لاردون من معهد ماكس بلانك للأبحاث الطبية في هايدلبرغ بألمانيا؛ والدكتور ليوني شوتز والبروفيسور إلمر فاينهولد من جامعة آخن، ألمانيا؛ والدكتور يوآف باراك من قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية في معهد وايزمان؛ والبروفيسور فنسنت نويرو من جامعة مينيسوتا، مينيابوليس، مينيسوتا، الولايات المتحدة الأمريكية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
