أول جينوم بكتيري صممه الكمبيوتر

Caulobacter crescentus - بكتيريا آمنة تعيش في المياه العذبة في جميع أنحاء العالم

يتم تخزين جميع الجينات المعروفة للكائنات الحية في قاعدة بيانات مملوكة للمركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية في الولايات المتحدة. تحتوي قاعدة البيانات الآن على إدخال: Caulobacter ethensis-2.0 . هذا هو أول جينوم كائن حي محوسب بالكامل في العالم ، تم تطويره بواسطة علماء من ETH Zurich . يجب التأكيد على أنه على الرغم من أن جينوم Caulobacter ethensis-2.0 تم الحصول عليه جسديًا في شكل جزيء كبير جدًا من الحمض النووي ، إلا أن الكائن المقابل لم يوجد بعد.

يعتمد Caulobacter ethensis-2.0 على جينوم بكتريا المياه العذبة المدروسة والآمنة Caulobacter crescentus ، والتي توجد بشكل طبيعي في مياه الينابيع والأنهار والبحيرات في جميع أنحاء العالم. لا يسبب أي مرض. Caulobacter crescentus هو أيضًا كائن نموذجي شائع الاستخدام في مختبرات الأبحاث لدراسة حياة البكتيريا. يحتوي جينوم هذه البكتيريا على 4000 جين. سبق أن أظهر العلماء أن حوالي 680 من هذه الجينات فقط هي الحاسمة في بقاء البكتيريا في المختبر.

فاز بيت كريستين ، أستاذ بيولوجيا النظم التجريبية في ETH زيوريخ ، وشقيقه ماتياس كريستن ، الكيميائي في ETH زيوريخ ، على الحد الأدنى من جينوم Caulobacter crescentus كقاعدة. لقد قصدوا توليف هذا الجينوم كيميائيًا من نقطة الصفر كروموسوم حلقة مستمر. تعتبر هذه المهمة صعبة للغاية: كان الجينوم البكتيري المركب كيميائيًا ، والذي أدخله رائد علم الوراثة الأمريكي كريج فينتر منذ 11 عامًا ، نتيجة عمل لمدة 10 سنوات قام به 20 عالمًا. يقولون المشروع يكلف 40 مليون دولار.

تبسيط عملية التجميع

بينما قامت مجموعة Venter بعمل نسخة دقيقة من الجينوم الطبيعي ، قام علماء من ETH Zurich بتغيير الجينوم بشكل جذري باستخدام خوارزمية الكمبيوتر. كان دافعهم ذا شقين: واحد لجعله أسهل بكثير في تخليق الجينوم ، والثاني في حل المشكلات الأساسية في علم الأحياء.

لإنشاء جزيء DNA بحجم الجين البكتيري ، يجب على العلماء التصرف خطوة بخطوة. في حالة جينوم Caulobacter ، قام علماء من ETH Zurich بتوليف 236 شظية من الجينوم ، قاموا بتجميعها فيما بعد. "إن توليف هذه الشظايا ليس بسيطًا دائمًا" ، يشرح ماتياس كريستن. يوضح Mathias Kristen أن "جزيئات الحمض النووي لا تملك فقط القدرة على الانضمام إلى جزيئات الحمض النووي الأخرى ، ولكن اعتمادًا على التسلسل ، يمكن أيضًا تحريفها إلى حلقات وعقد ، مما قد يعقد عملية التوليف أو يجعلها مستحيلة".

الجينوم المبسطة

لتركيب شظايا الجينوم بأبسط الطرق ، ثم تجميع كل الشظايا بالطريقة الصحيحة ، قام العلماء بتبسيط تسلسل الجينوم بشكل جذري دون تغيير المعلومات الجينية الفعلية (على مستوى البروتين). هناك العديد من الاحتمالات لتبسيط الجينومات لأن علم الأحياء لديه احتياطيات مضمنة لتخزين المعلومات الجينية. على سبيل المثال ، تحتوي العديد من الأحماض الأمينية على احتمالين أو أربعة أو أكثر لكتابة معلوماتهم في الحمض النووي.

تستخدم خوارزمية طورها علماء من ETH Zurich الاستخدام الأمثل لهذا التكرار في الشفرة الوراثية. باستخدام هذه الخوارزمية ، قاموا بحساب تسلسل الحمض النووي الأكثر اقتصادا من أجل تجميع وبناء الجينوم ، والتي استخدموها في عملهم.



في المختبر Caulobacter ethensis-2.0 الجينوم

نتيجةً لذلك ، قام العلماء بالعديد من التغييرات الصغيرة على الحد الأدنى من الجينوم ، وهو أمر مثير للإعجاب: فقد تم استبدال أكثر من سدس من الـ 800 ألف حرف من الدنا في الجينوم الاصطناعي بالمقارنة مع الجينوم "الطبيعي" الأدنى. "بفضل خوارزمية لدينا ، أعدنا بالكامل كتابة جينومنا إلى تسلسل حروف جديد للحمض النووي لم يعد يشبه التسلسل الأصلي. يقول بيت كريستين: "لقد تم الحفاظ على الوظيفة البيولوجية على مستوى البروتين".

اختبار عباد الشمس في علم الوراثة

الجين المعاد كتابته مثير أيضًا من الناحية البيولوجية. يوضح بيت كريستين: "إن طريقتنا هي اختبار بسيط لمعرفة ما إذا كنا نحن البيولوجيين نفهم علم الوراثة بشكل صحيح ، ويسمح لنا بتسليط الضوء على الفجوات المحتملة في معرفتنا". بطبيعة الحال ، قد يحتوي الجينوم المكتوب على معلومات فقط يفهمها الباحثون حقًا. ستفقد المعلومات الإضافية "الخفية" المحتملة الموجودة في تسلسل الحمض النووي والتي لم يفهمها العلماء بعد في عملية تجميع الكود الجديد.

نما العلماء سلالات من البكتيريا التي تحتوي على كل من جينوم Caulobacter الطبيعي وشظايا من الجينوم الاصطناعي الجديد. عن طريق تعطيل بعض الجينات الطبيعية في هذه البكتيريا ، تمكن العلماء من اختبار وظيفة الجينات الاصطناعية. قاموا باختبار كل من الجينات الاصطناعية في عملية متعددة الخطوات.

في هذه التجارب ، وجد العلماء أن حوالي 580 من الجينات الصناعية 680 فقط كانت وظيفية. يقول بيت كريستين: "مع المعرفة ، يمكننا تحسين خوارزمية وتطوير نسخة كاملة الوظائف من الجينوم 3.0".

إمكانات عملاقة في التكنولوجيا الحيوية

"على الرغم من أن الإصدار الحالي من الجينوم لم يكتمل بعد ، فإن عملنا يوضح أن النظم البيولوجية مبنية بطريقة بسيطة حتى نتمكن في المستقبل من تطوير مواصفات المشروع على جهاز كمبيوتر وفقًا لأهدافنا ، ومن ثم بنائها." - يقول ماتياس كريستين. ويمكن الحصول على هذا بطريقة بسيطة نسبيًا ، كما تؤكد Beat Kristen: "بالنسبة لما استغرقته عشر سنوات بالنسبة إلى Craig Venter ، قامت مجموعتنا الصغيرة بأداء استخدام تقنيتنا الجديدة في غضون عام بتكلفة 120،000 فرنك سويسري فقط."

يقول بيت كريستين: "نعتقد أنه سيكون من الممكن قريبًا أيضًا إنتاج خلايا بكتيرية فعالة بمثل هذا الجينوم". سيكون لهذا التطور إمكانات كبيرة. من بين الاستخدامات المحتملة في المستقبل الكائنات الحية الدقيقة الاصطناعية التي يمكن استخدامها في التكنولوجيا الحيوية ، على سبيل المثال ، في تخليق الجزيئات المعقدة النشطة صيدلانيا أو الفيتامينات. يمكن تطبيق هذه التكنولوجيا عالميا على جميع الكائنات الحية الدقيقة ، وليس فقط على Caulobacter . الاحتمال الآخر هو إنتاج لقاحات الدنا.

يقول بيت كريستين: "بغض النظر عن مدى واعدة نتائج البحوث وتطبيقاتها المحتملة ، فإنها تتطلب فهماً عميقاً للأغراض التي يمكن من خلالها استخدام هذه التكنولوجيا ، وفي الوقت نفسه ، كيفية منع إساءة الاستخدام". لم يتضح بعد متى سيتم الحصول على أول بكتيريا تحتوي على جينوم اصطناعي ، لكن من الواضح الآن أنه يمكن الحصول عليها وستتطور. "نحتاج إلى استخدام الوقت الذي نتمتع به لإجراء مناقشات مكثفة بين العلماء ، وكذلك في المجتمع ككل. نحن على استعداد للمساهمة في هذه المناقشة بكل المعرفة التي لدينا ".