بعد 70 عامًا من اكتشاف الحمض النووي ، أصبح العلماء الآن قادرين على صنعه بشكل مصطنع
منذ الاكتشاف الرائع للحلزون المزدوج للحمض النووي في عام 1953 ، تعلم الباحثون قراءة ونسخ وحتى صنع وإعادة تجميع أجزاء من الحمض النووي. هل توليف الحمض النووي وتجميع الجينات آمنان بدرجة كافية ومقاومان للمخاطر؟ ما هي إمكانات علم الجينوم التخليقي وما هي تحدياته؟
قبل 70 عامًا ، في 25 أبريل 1953 ، نشرت ثلاث مقالات في المجلة طبيعة غيرت نظرتنا إلى العالم. يمثل اكتشاف بنية الأصل الجزيئي للوراثة ، DNA الحلزون المزدوج ، أحد أعظم الاكتشافات في علم الأحياء في XXه قرن.
إن تنظيم الجزيء الذي هو مقر الحياة بسيط للغاية: يتكون الحمض النووي من وحدات متكررة ، نيوكليوتيدات ، والتي تشكل سلسلة كيميائية. النيوكليوتيد هو جزيء ناتج عن مزيج من ثلاثة مكونات كيميائية: القاعدة النيتروجينية والسكر وحمض الفوسفوريك. تحدد أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية أربعة أنواع من النيوكليوتيدات ، والتي تجمع ما لا نهاية له في الحمض النووي وهي أساس تنوع الكائنات الحية (أ: الأدينوزين ؛ T: الثايمين ؛ G: الجوانين ؛ C: السيتوزين). أخيرًا ، في الحمض النووي ، يرتبط كل نوكليوتيد بجيرانه بواسطة رابطة كيميائية تسمى “فوسفوديستر”. في الكائنات الحية ، تنتج الإنزيمات ، ومحفزات التفاعلات الكيميائية الحيوية ، هذه الروابط الكيميائية.
منذ أن تم توضيح هذه البنية ، تعلم البشر قراءة الحمض النووي بشكل أسرع وأسرع وأطول. في الوقت نفسه ، وجدنا كيفية صنع (توليف) الحمض النووي من القواعد النيتروجينية (1972) – مما يسمح لنا اليوم بالذهاب إلى حد ابتكار الحمض النووي مثلما يخترع الكاتب كتابًا من الأبجدية (مع احترام بعض القواعد النحوية على الرغم من ذلك) ). نحن نعرف أيضًا كيفية “تضخيم” الحمض النووي (1983) ، أي استهداف منطقة محددة جيدًا على الحمض النووي ونسخها إلى آلاف النسخ ، لا سيما مع تفاعل البوليميراز المتسلسل المعروف الآن. وبالطبع ، نحن نعرف كيفية تحرير الجينوم (من عام 1973 بفضل “الحمض النووي المؤتلف” ، حيث يتم دمج قطع مختلفة من الحمض النووي) ، أي تعديله محليًا لتعديل وظائفه – أفضل تقنية معروفة لتحرير الجينوم هو الآن من “المقص الجزيئي” CRISPR-Cas9 ، المولود في عام 2012.
وهكذا ، لمدة 70 عامًا ، أدى تحسين تقنيات قراءة الحمض النووي ، ثم التصنيع والتحرير ، إلى تطوير قدرتنا على فهم الكائنات الحية.
لماذا تصنع الحمض النووي عندما يكون في كل مكان في الطبيعة؟
التوليفات واسعة النطاق ومنخفضة التكلفة هي مصادر التقدم في كل من البحوث الأساسية والتطبيقية. على سبيل المثال ، إعادة بناء الجينوم الفيروسي ، أي إعادة تكوين جينومات فيروسية متطابقة في المختبر – فيروس الإنفلونزا الإسبانية ، فيروس نقص المناعة البشرية ، SARS-CoV-2 على سبيل المثال – قد مكّن من تحقيق تقدم مذهل ، مثل تسريع انتشار الفيروس. إنتاج لقاحات أو إنتاج خلايا مقاومة للعدوى المرتبطة بهذه الفيروسات (الطماطم المقاومة لفيروسات البوتاسيوم على سبيل المثال).
الآن ، نحن نعرف حتى كيفية كتابة وتصميم المعلومات الجينية من خلال استلهام الإلهام من الجينوم الطبيعي ، لإعادة إنتاجها جزئيًا في مناطق مثيرة للاهتمام ، أو في مجملها عن طريق تحسينها.
هذا ممكن بفضل التطورات التكنولوجية الحديثة ، مثل “رقائق الحمض النووي” ، والأجهزة الدقيقة التي تسمح بالتلاعب المتزامن للعديد من سلاسل الحمض النووي ، أو حتى تقنيات الموائع الدقيقة.
وهكذا ، فإن الجينوم الاصطناعي الآن لديه القدرة على تكوين جينومات جديدة وخلايا بدائية ، مثل بكتيريا JCVI-syn3.0 ، وهي بكتيريا اصطناعية مع أصغر جينوم لوحظ في كائن مستقل على الإطلاق. من المفطورة التناسلية، وهي بكتيريا تنتقل عن طريق الاتصال الجنسي ، تحتوي هذه البكتيريا التي تم تصنيع جينومها من قبل العلماء على الجينات الضرورية للحياة فقط.
يمكننا حتى إنشاء أشكال جديدة من الحياة الاصطناعية مثل روبوتات الحمض النووي ، قادرة على تحريك وحمل “حزم” من الجزيئات. يتم استكشاف هذه التكنولوجيا الحديثة لتوصيل الأدوية إلى الخلايا المستهدفة في جسم الإنسان ، مثل الخلايا السرطانية.
النهوض بالبحوث والطب
يجعل تركيب الجينوم من الممكن معالجة أسئلة البحث المفتوحة ويسرع التقدم في مجموعة واسعة من المجالات. على سبيل المثال ، أصبح من الممكن الآن بناء خلية مناعية فائقة عن طريق برمجة تسلسل الحمض النووي الخاص بها. هذه هي حالة خلايا CAR-T (مستقبلات المستضد الخيمري- T) ، الخلايا التائية المعدلة وراثيا في عام 2012 بهدف الكشف عن الخلايا السرطانية والقضاء عليها. مجالات التطبيق الأخرى هي إنتاج جينات غير معيبة للعلاج الجيني ، أو لتطوير جينوم ضئيل مع الجينات الأساسية لمعالجة المبادئ الأساسية للحياة ، لاستكشاف تصميم وهندسة الجينوم بالكامل.
ولكن ، على الرغم من التحسينات المستمرة في تقنيات التوليف ، تظل قدرات قراءة الحمض النووي اليوم أعلى بكثير من قدرات الكتابة (من حيث الوقت المطلوب لكل عينة ، وعدد العينات التي تمت دراستها في نفس الوقت ، وتحليل النتائج والأتمتة).
وبالتالي ، فإن تخليق الحمض النووي هو أحد أكثر الخطوات تقييدًا في دراسة الكائنات الحية ، حيث تحده معدلات الخطأ (التي تزيد مع حجم الحمض النووي المراد تصنيعه) وصعوبات تجميع الأجزاء.لتركيب الجينوم الكامل.
بعد اكتشاف التركيب الكيميائي للحمض النووي ، أصبح الباحثون مهتمين بتوليف الحمض النووي في المختبر: فهو ينطوي على تحضير النيوكليوتيدات من مكوناتها ثم تجميعها.
وُلد علم الجينوم التركيبي مع أول “ثنائي النوكليوتيد” تم تصنيعه في المختبر في عام 1955. ثم في عام 1963 ، قام هـ. : واحد على كل خصلة من اللولب المزدوج).
تحسنت التقنيات التخليقية تدريجيًا في العقود التالية ، لكنها ظلت محدودة من حيث طول السلسلة والجودة والإنتاجية ، بسبب التفاعلات غير المستقرة التي ولدت تسلسلات متفرعة أو مبتورة أو متحولة ، أي الجزيئات التي لا تتوافق مع بنية الحلزون المزدوج ، مما يضمن عمل الحمض النووي.
في أوائل الثمانينيات ، قدم مارفن كاروثرز ، وهو طالب من خورانا ، كواشف أكثر كفاءة ، فسفوراميديت ، وبالتالي أحدث ثورة في تخليق الحمض النووي. يتكون هذا التركيب من أربع خطوات وينتج عنه إضافة نيوكليوتيد واحد إلى خيط DNA ، والذي ينمو أثناء ربطه بدعامة صلبة (الزجاج أو البوليسترين على سبيل المثال). تم تحسين هذه الطريقة بشكل أكبر باستخدام دعامات مختلفة ثم أتمتة ، مما قلل من وقت التوليف.
اليوم ، ظهرت العديد من الإصدارات المعدلة من الفوسفوراميديت ، مع خصائص محسّنة لتخليق DNA معين.
تظل كيمياء الفوسفوراميديت هي الطريقة المرجعية لتصنيع الحمض النووي ، المستخدم في الصناعة لما يقرب من 40 عامًا بكفاءة أكبر اليوم من 99٪ وسرعة تخليق لبضع دقائق. تسمح بساطته وكفاءته العالية بتوليف أطوال كبيرة من التسلسلات ، حتى 200 زوج قاعدي ، والتي يؤدي تجميعها إلى بناء دنا أكبر ، لإنتاج جينات مفردة تصل إلى جينومات اصطناعية كاملة ، مثل جينوم خميرة الخباز ، خميرة الخميرة.
“قدرات تخليق الحمض النووي المتاحة اليوم قد تأخرت كثيرًا عن التطورات في تسلسل الحمض النووي”
في حين أن كيمياء الفوسفوراميديت تصمد أمام اختبار الزمن ، إلا أن لها قيودًا تقنية. على سبيل المثال ، يمكن أن تحدث الأخطاء أثناء التوليفات المتتالية الناتجة عن التفاعلات الجانبية ، مثل الروابط غير المكتملة ، عندما لا تحدث الرابطة بين النيوكليوتيدات التكميلية ، أو التضمينات الخاطئة ، على سبيل المثال G بدلاً من A.
صنع الحمض النووي غدًا
يجب أن ندرك أن قدرات تخليق الحمض النووي المتاحة اليوم قد تأخرت كثيرًا عن التقدم في تسلسل الحمض النووي. تقنيات تصنيع الحمض النووي الحالية ليست ناضجة بما يكفي للسماح بالهندسة العملية والاقتصادية للجينومات الكبيرة.
تُبذل جهود مستمرة متعددة التخصصات لاستخدام كيميائيات واستراتيجيات جديدة لتوليف الحمض النووي وتجميع الجينات. تظهر استراتيجيات جديدة مستوحاة من الأنظمة البيولوجية ولكن في الوقت الحالي ، لا تسمح أي تقنية بالوصول إلى تسلسلات كبيرة مثل تلك الموجودة في الطبيعة.
تتعلق التحديات التقنية الحالية بتجميع مناطق سلسلة الحمض النووي شديدة التكرار أو المعقدة. عندما يتم التغلب على هذه الحواجز التقنية ، مع المزيد من الاستراتيجيات التركيبية المثلى ، ستفتح آفاق جديدة لحل التحديات الرئيسية التي نواجهها من حيث الموارد والطاقة والصحة والبيئة.
