ثورة في علم الأحياء: جينوم الخميرة شبه الاصطناعية يكشف عن آفاق جديدة في الهندسة الوراثية

قد يبدو الحمض النووي الاصطناعي وكأنه مادة من الخيال العلمي، لكنه سرعان ما أصبح حقيقة. ابتكر الباحثون خلية خميرة تحتوي على أكثر من 50% من الجينوم الاصطناعي، بما في ذلك أول كروموسوم صناعي بالكامل في العالم.

لقد ابتكر العلماء سابقًا جينومات بكتيرية وفيروسية اصطناعية، لكن الخطوة التالية كانت حقيقية النواة، وهي خلية يقع جينومها بالكامل داخل نواة محاطة بغشاء. الخميرة مثل خميرة الخباز قد تكون خيارًا طبيعيًا لهذا الغرض (خميرة الخمر) لديه جينوم صغير مكون من 16 كروموسوم ولديه قدرة فطرية على ربط الحمض النووي معًا.

ومع ذلك، أراد الباحثون المشاركون في مشروع جينوم الخميرة الاصطناعية (Sc2.0) أن يفعلوا شيئًا مختلفًا بعض الشيء من خلال إعطاء الخميرة جينًا “مصممًا”، بدلاً من تصنيع الحمض النووي. قال جيف بوكاك، كبير المؤلفين وقائد Sc2.0: “لقد قررنا أنه من المهم إنتاج شيء تم تعديله بشكل كبير من تصميم الطبيعة”. تقرير. “كان هدفنا الرئيسي هو إنشاء خميرة يمكنها تدريس علم الأحياء الجديد.”

خلق الجينوم الاصطناعي

قام الفريق أولاً بإزالة ما يسمى بالحمض النووي “غير المرغوب فيه” من الجينوم واستبدله بأجزاء جديدة من الحمض النووي ساعدت في التمييز بين الجينات الاصطناعية والمحلية، ثم غيروا تسلسل الجينات. يجب إجراء حذف مهم آخر – جينات الحمض الريبي النووي النقال.

تلعب البروتينات التي تشفرها أدوارًا مهمة داخل الخلايا، كما أن جينات الحمض الريبي النووي النقال تجعل جينوم الخميرة غير مستقر. وفي خطوة ثورية، قام الباحثون بإزالتها واستبدالها بكروموسوم جديد جديد تمامًا قائم على جينات T-RNA. وقال المؤلف المشارك باتريك ييشي كاي: “إن كروموسوم tRNA الجديد هو أول كروموسوم اصطناعي بالكامل في العالم”. “لا يوجد شيء مثل ذلك في الطبيعة.”

باستخدام الكروموسوم الجديد، قام الباحثون بتجميع 16 سلالة من الخميرة الاصطناعية جزئيًا، تحتوي كل منها على 15 كروموسومًا طبيعيًا وكروموسومًا صناعيًا واحدًا لكل منهما على حدة.

وضع القطع معا

ثم جاء الجزء الصعب، وهو إدخال الكروموسومات الاصطناعية كلها في نفس خلية الخميرة. وهو يتضمن مزيجًا من التقنية الجينية الكلاسيكية – التربية – وبعض الأساليب الجديدة تمامًا. كان التكاثر بطيئًا وكانت الخميرة الناتجة تحتوي على أكثر من 30 بالمائة من الجينومات الاصطناعية، وبحث الباحثون عن المزيد.

وبعد استخدام طريقة جديدة تسمى استبدال الكروموسوم وتقنية مشابهة لـ CRISPR/Cas9 لتصحيح العيوب الجينية، تمكنوا من الحصول على خلية خميرة تحتوي على أكثر من 50% من الحمض النووي الاصطناعي. ربما يكون التلاعب بجينومها قد تسبب في نمو الخميرة أو ظهورها بشكل غير عادي، ولكن بفضل الصناعة الدقيقة، نجت وتكاثرت مثل الخميرة البرية.

وقال كاي: “لقد أعاد الفريق الآن كتابة نظام تشغيل الخميرة الناشئة، وفتح حقبة جديدة من علم الأحياء الهندسي، والانتقال من ترقيع عدد قليل من الجينات إلى التصميم الجديد وبناء الجينومات بأكملها”.

الخطوات التالية

لقد كانت الخميرة منذ فترة طويلة عنصرًا أساسيًا في إنتاج الأغذية والمشروبات – ولهذا السبب لدينا خبز وبيرة جيدة، والجميع يقول “شكرًا، الخميرة” – وفي العلوم، وفي الإنتاج الكيميائي وككائن حي نموذجي. وكما يوضح بن بلونت، أحد العلماء البارزين، فإنه باستخدام الحمض النووي الاصطناعي، يمكننا تحقيق العديد من التقدم في هذه المجالات. تقرير.

“تعد الكروموسومات الاصطناعية إنجازات تكنولوجية ضخمة في حد ذاتها، ولكنها ستفتح نطاقًا كبيرًا من الاحتمالات الجديدة لكيفية دراسة واستخدام علم الأحياء. بدءًا من إنشاء سلالات ميكروبية جديدة لإنتاج حيوي أكثر مراعاة للبيئة، إلى مساعدتنا على فهم الأمراض ومكافحتها.

والخطوة التالية هي جمع جميع الكروموسومات الاصطناعية الستة عشر في خلية خميرة واحدة. وهذا ليس بالأمر الهين، لكن الباحثين متفائلون. وقال بوج: “نحن الآن بعيدون عن خط النهاية المتمثل في وجود جميع الكروموسومات الستة عشر في نفس الخلية”.

“أحب أن أسمي هذا نهاية البداية، وليس بداية النهاية، لأنه عندها يمكننا أن نبدأ حقًا في قلب هذا السطح وإنتاج خميرة يمكنها فعل أشياء لم نشهدها من قبل.”

يتم نشر الدراسة في المجلة يذهب.