بیوکامپیوتر

دانشمندان سلول‌های پستانداران را به بیوکامپیوترهای پیچیده تبدیل کردند

سخت افزار کامپیوتر در حال گرفتن جنبه نرم‌تری است. تیم پژوهشگری می‌آید که روشی برای مهندسی ژنتیکی دی.اِن.اَی سلول‌های پستانداران جهت انجام محاسبات پیچیده داشته باشد، نتیجه اینکه این سلول‌ها به بیوکامپیوترها تبدیل می‌شوند. این گروه نتوانستند تا کنون این سلول‌ها را برای کار در روش‌های مفید بگذارند، اما در پایین جاده پژوهشگران امیدوارند این روش‌های برنامه‌نویسی جدید برای بهبود هر چیزی از درمان سرطان تا بافت‌های در تقاضایی که می‌توانند جایگزین بخش‌های فرسوده بدن شوند کمک کند.

مهندسی سلول‌ها برای کارکردهایی مانند مینی‌کامپیوترها چیز جدیدی نیست. به عنوان بخشی از رشته در حال رشد زیست‌شناسی ترکیبی (بیولوژی سینتتیک) تیم‌های پژوهشگران در دنیا سال‌هاست که روی دی.اِن.اَی برای ساخت سلول‌هایی که کارهای ساده چون انتشار نور زمانی که سطح اکسیژن کاهش می‌یابد کار می‌کنند. تا به امروز، بسیاری از آزمایش‌ها روی اشریشیا کُلی و دیگر باکتری‌ها انجام شده است، چون ژن‌های آنها راحت دستکاری می‌شوند. پژوهشگران همچنین موفق به پیوند میان چندین مدار ژنتیکی با یکدیگر درون یک سلول منفرد برای انجام محاسبات پیچیده‌تر در باکتری شده‌اند.

اما این نقطه پایان نیست، برای توسعه بیشتر این زمینه، دانشمندان تلاش‌هایی جهت مهندسی سلول‌های پستانداران برای ایجاد مدار ژنتیکی‌ای که بتواند به کشف و درمان بیماری‌های انسانی کمک کند داشته‌اند.  اما تلاش‌ها برای ساخت مدارهای ژنتیکی بزرگ-مقیاس در سلول‌های پستانداران با شکست‌های بزرگ مواجه شده است: برای کار کردن مدارهای پیچیده، مولفه‌های منفرد -تغییر یک ژن به فعال و غیر فعال – باید سازگار باشند. رایج‌ترین روش‌ برای تغیر یک ژن به فعال یا غیر فعال استفاده از پروتئن‌هایی به نام عوامل رونویسی هستند که بیان یک ژن خاص برای اتصال تنظیم می‌کنند. مشکل این است که این عوامل رونویسی «همگی کمی متفاوت رفتار می‌کنند،» این را ویلسون وانگ، بیولوژیست ترکیبی دانشگاه بوستون گفت.

برای ارتقای «سويیچ‌های» دی.ان.ای، وانگ و همکارانش وضوح عوامل رونویسی را مدیرت کرده و به جای آن ژن‌های سلول کبد انسان با استفاده از آنزیم‌های برش‌ مانندی که قطعه‌های دی.ان.ای را برش می‌زند کار کردند به فعال و غیر فعال تغییر دادند. این آنزیم‌ها که به ری کامبینیس ( DNA recombinases) نیز شناخه شده هستند، دو کش‌ هدف دی.ان.ای که هر کدام طول بیش از ۳۰ تا ۵۰ جفت یا بیشتر دارند را شناسایی می‌کند. زمانی که یک ری کامبینیس کش‌های دی.ان.ای هدفش را یافت، دی.ان.ای را از میان می‌بُرد و پایان‌های بریده‌ شده از مارپیچ دوگانه را به یکدیگر می‌دوزد.

برای طراحی مدارهای ژنتیکی، وانگ و همکارانش از دستگاه سلولی سنتی که دی.ان.ای سلول را می‌خواند، ژن‌ها را به آر.ان.ای رونویسی می‌کند، و سپس آر.ان.ای را به پروتئین‌ها ترجمه می‌کند استفاده کردند. این عمل طبیعی ژن-به-پروتئین به وسیله قطعه دی.ان.ای دیگری، پروموتر یا پیش‌برنده، که درست بالا دست ژن قرار دارد آغاز می‌گردد. زمانی که یک پیش‌برنده فعال شد، مولکولی به نام پلیمرهای آر.ان.ای به کار گرفته می‌شوند، این مولکول به پایین رشته دی.ان.ای می‌رود و تا زمانی که رشته دی.ان.ای دیگری برسد آر.ان.ای تولید می‌کند.

برای ساخت ساده‌ترین مدار، تیم وانگ چهار رشته دی.ان.ای اضافی بعد از یک پیش‌برنده (پروموتر)، را جاسازی کرد. با این کار پروتئین فلورسنت سبز تولید می‌شود که سلول‌ها را روشن می‌کند. اما در مقابل آن یک رشته پایانی احاطه شده توسط دو رشته‌ای بود که ری کامبینیس دی.ان.ای را نشان می‌دادند. وان و تیمش ژن دیگری را در همان سلولی که ری کامبینیس آن اصلاح شده بود قرار دادند، آن ژن تنها زمانی که به یک داروی خاص متصل است فعال شد: بدون این ژن، ری کامبینیس دی.ان.ای را برش نمی‌دهد.

زمانی که پیش‌برنده بالا دست ژن پروتئین فلورسنت سبز فعال شد، پلیمرهای آر.ان.ای سراسیمه به رشته پایانی وارد شد. اما زمانی که دارو اضافه شد، ری کامبینیس به فعال تغییر یافت و رشته پایانی که پلیمر آر.ان.ای را از شروع تولید پروتئین فلورسنت سبز حفاظت می‌کرد را پیوند زد. و بالاخره سلول روشن شد.

اگر این شاهکار گذر از هفت خوان کافی نیست، وانگ و همکارانش همچنین نشان دادند که با افزون ری کامبینیس‌های اضافی همراه با رشته‌های مختلف هدف، می‌توانند طیف وسیعی از مدارها برای انجام عملیات منطقی مختلف طراحی کنند. این رهیافت به خوبی در ۱۱۳ مدار مختلف طراحی شده به وسیله این تیم با نرخ موفقیت ۹۶.۵٪ کار می‌کند، این پژوهشگران امروز در ژورنال نیچر بیوتکنولوژی گزارش دادند. به عنوان یک کار جالب‌تر، آنها سلول‌های انسانی را برای تولید نسخه‌های بیولوژییکی چیزهایی که جدول ارجاع منطق بولی صدا زده می‌شود مهندسی کردند. این مدار در این مورد شش ورودی مختلف دارد، که می‌تواند در روش‌های مخلف برای اجرای ۱۶ عمل منطقی متفاوت ترکیب شود.

«بسیار هیجان انگیز است، آن می‌تواند در مقیاس دیگری به ما نشان دهد که می‌توانیم مدارهای ژنتیکی پستانداران طراحی کنیم،» این را تیموتلی لو، بیولوژیست ترکیبی موسسه علم و فناوری ماساچوست در کمبیرج گفت. اگر چه مدارهای کنونی مفهوم قدرتمندی دارند، لو و وانگ می‌گویند بیولوژیست‌های ترکیبی می‌خواهند از آنها برای درمان‌های پزشکی جدید استفاده کنند. برای مثال دانشمندان می‌توانند سلول‌های تی که نگهبان سیستم ایمنی بدن هستند  را با مدارهای ژنتیکی مهندسی کنند به گونه‌ای که زمانی که  حضور دو یا سه «نشانگر زیستی» تولید شده توسط سلول‌های سرطانی را کشف شد پاسخی جهت از بین بردن تومورها را شروع کنند، لو گفت. دیگر مثال کشف شده توسط وانگ و دیگران مهندسی سلول‌های بنیادی است به گونه‌ای که آنها زمانی که توسط سیگنال‌های مختلف فعال شدند به درون انواع سلول خاص توسعه یابند. این می‌تواند به بیولوژیست‌های ترکیبی برای تولید بافت‌های متقاضی، مانند سلول‌های تولید کننده انسولین یا سلول‌های تولید کننده غضروف کمک کند.

دیدگاه‌تان را بنویسید: