على الأقل منذ ظهور الجد المشترك الأخير لجميع الكائنات الحية على الأرض قبل حوالي 3.5 مليار سنة ، يتم تخزين المعلومات الجينية في أبجدية من أربعة أحرف ، يتم توزيعها وقراءتها في شكل زوجين أساسيين. هذه هي أربع قواعد من النيتروجين والكربون والهيدروجين: الأدينين (أ) ، الثيمين (ت) ، السيتوزين (ج) والغوانين (ز). نظرًا لتركيبها الكيميائي ، فإنها ترتبط بأزواج القاعدة بترتيب صارم لا يسمح بالخيارات: فقط AT و C-G. في مثل هذا النظام الرباعي ، يتم ترميز كل الحياة على الأرض.
الهدف الرئيسي لعلم الأحياء التخليقي كعلم هو إنشاء أشكال حياة جديدة ووظائف جديدة في الكائنات الحية الموجودة. الطريقة المنطقية لتحقيق هذا الهدف هي تطوير الكائنات شبه الاصطناعية مع مجموعة موسعة من أزواج القاعدة. بالإضافة إلى القواعد الأربع للحياة البرية ، يمكن أن تحتوي على زوج من القواعد الاصطناعية ، لتشكيل زوج أساسي اصطناعي ثالث: XY.
وصلت المحاولات السابقة لإنشاء مثل هذا الكائن شبه الاصطناعية
إلى ذروتها في عام 2016 . ثم تمكن علماء الوراثة من تطوير سلالة من
الإشريكية القولونية ، التي استخرجت ثلاثي الفوسفات الاصطناعي الضروري من البيئة واستخدمتها لتكرار البلازميدات بقاعدة اصطناعية. كانت هذه هي الحالة الأولى لتكرار الحمض النووي شبه الاصطناعي ، ولكن لا يزال مثل هذا الكائن شبه الاصطناعي لم يكتمل تمامًا. لا يكفي تخزين ونقل زوج القاعدة الاصطناعية. ولكي تكون مفيدة ، يجب أن تعمل بكامل طاقتها ، أي أنها قادرة على التعبير في نهاية المطاف عن البروتينات من خلال الحمض النووي الريبي. وستكون هذه البروتينات ، التي لا يستطيع أي شكل من أشكال الحياة الطبيعية في النظام الرباعي تكوينها.
الآن ذهب علماء الأحياء من معهد سكريبس للأبحاث أبعد من ذلك. قاموا
بإنشاء بكتيريا شبه صناعية
كاملة (في الصورة أعلاه) ، والتي تقوم بنسخ زوج القاعدة الاصطناعية إلى mRNA مع اثنين من الكودونات الاصطناعية و tRNA مع مضادات التشفير الاصطناعية ذات الصلة - وتقوم بفك تشفيرها بكفاءة في الريبوسوم لدمج الأحماض الأمينية الطبيعية أو غير القانونية في البروتين الفلوري "superfolder GFP" ( sfGFP).
في هذه الحالة ، تم استخدام sfGFP لمجرد التوضيح ؛ وهي علامة تقليدية تستخدم في البحث الجيني. نظريا ، يمكن للبكتيريا ترميز الأحماض الأمينية الأخرى.
وعلق البروفيسور فلويد رومسبرغ من معهد سكريبس للأبحاث ، وهو مؤلف رائد في العمل العلمي: "هذا هو أصغر تغيير يمكننا إجراؤه في آلية عمل الطبيعة - ولكن هذه هي المرة الأولى".
يظهر التركيب الكيميائي للأزواج الأساسية الاصطناعية والطبيعية في الجزء العلوي من التوضيح (أ). فيما يلي تمثيل تخطيطي لكاسيت جيني يُستخدم للتعبير عن التتابعات شبه الاصطناعية. في الرسوم البيانية ج ود ، على التوالي ، مضان ونمو الخلايا معربا عن sfGFP و tRNA شبه الاصطناعية. أخيرًا ، أسفل اليسار هو بقعة غربية من lysates تم الحصول عليها من الجيل الأخير من هذه الخلايا الموضحة بعلامات اليمين المتطرفة للرسوم البيانية c و d ، وتظهر الوفرة النسبية للأحماض الأمينية S و I / L و N من الخلايا شبه الاصطناعية على اليمينوفقًا للعلماء ، تشير النتائج التي تم الحصول عليها إلى أن العمليات بخلاف الروابط الهيدروجينية يمكن أن تشارك في كل خطوة من خطوات تخزين واستخراج المعلومات الجينية. اتضح أن عدم وجود روابط هيدروجينية في أزواج القاعدة لا يزعج الخلايا حقًا: لا يزال انتشار الحمض النووي شبه الاصطناعي يحدث بنجاح كبير.
وبعبارة أخرى ، فإن الحياة المنتشرة حولنا ، على الأرجح ، ليست الوحيدة الممكنة من وجهة نظر كيميائية. لقد حدث أن جميع أشكال الحياة على الأرض تتكون بالضبط من عينة واحدة ، ولكنها ليست فريدة على الإطلاق.
وبالتالي ، فإن الكائن شبه الاصطناعي الناتج قادر في نفس الوقت على ترميز معلومات وراثية إضافية واستخراجها للاستخدام. يقول Romsberg: "لن أسميها شكلاً جديدًا من أشكال الحياة ، لكنها الأقرب إلى شكل جديد من الحياة نجح أي شخص في القيام به. لأول مرة تبث خلية بروتينًا باستخدام شيء آخر غير G أو C أو A أو T. "
إن القواعد الطبيعية الأربع للحمض النووي قادرة على تشفير 20 حمضًا أمينيًا فقط ، لذا فإن جميع أشكال الحياة على الأرض تقتصر حصريًا على هذه البروتينات. باستخدام الزوج الأساسي الثالث - اصطناعي - يستطيع الجسم ترميز ما يصل إلى 152 من الأحماض الأمينية الجديدة.
وفقا للباحثين ، ينبغي أن يؤخذ هذا الكائن الحي كمنصة لخلق أشكال ووظائف الحياة الجديدة. نظريًا ، يمكن لأشكال الحياة الجديدة الموجودة في النظام الست عشري أن تفتح إمكانيات جديدة تمامًا في الطب والصيدلة ، وتساعد في إنشاء أدوية جديدة.
Synthorx، Inc. ، شركة أمريكية متخصصة في البحث عن أدوية جديدة باستخدام زوج القاعدة الاصطناعية X و Y
يشير العلماء إلى أن الحياة شبه الاصطناعية التي قاموا بإنشائها وكلها مشابهة لن تكون قادرة على العيش خارج جدران المختبر ، لأنه من أجل إعادة إنتاج قواعد X و Y في المحلول ، يجب أن تكون المواد الكيميائية المناسبة موجودة.
تم
نشر المقالة العلمية في 30 نوفمبر 2017 في مجلة
Nature (doi: 10.1038 / nature24659 ،
pdf ).