الكائنات غير النموذجية توسع ذخيرة البيولوجيا الاصطناعية
مصر:إيهاب محمد زايد
يتجه باحثو البيولوجيا التركيبية إلى الكائنات غير النموذجية لفتح إمكانيات جديدة للاستدامة البيئية وصحة الإنسان
ومن بين أكثر من 450 ألف نوع من النباتات البرية، لم تتم دراسة سوى بضعة آلاف فقط، وتم تحديد تسلسل عدد أقل منها. وأوضح سيباستيان كوسيوبا، وهو مهندس بيولوجي نباتي مستقل: “هناك عدد كبير من النباتات في عائلات وشعبات مختلفة تمامًا وليست قريبة من حيث العلاقة مع نبات الأرابيدوبسيس”.
وهذا مجرد التنوع النباتي غير المستغل. يتطلع الباحثون والشركات في مجال البيولوجيا التركيبية الآن إلى ما هو أبعد من الكائنات الحية النموذجية للعثور على جزيئات ورؤى جديدة في الأنواع التي لم تتم دراستها سابقًا عبر شجرة الحياة.
الأرابيدوبسيس ثاليانا، أحد أكثر أنواع النباتات شيوعاً المستخدمة في الدراسات الوراثية. [هيتي بافيس/كانفا]
لا يجب أن يقتصر البحث على الكائنات غير النموذجية على اكتشاف مستقلبات جديدة. “دعونا نقول أن هناك مسارات التمثيل الغذائي التي تنفرد بها هذه الشعبة من النباتات. قال كوسيوبا: “بدلاً من محاولة الحصول على تلك الدائرة الجينية في الأرابيدوبسيس أو التبغ، لماذا لا نقوم بتدجين النبات الذي ينتجها لتسخير هذه القدرة المحلية بشكل أفضل”.
ترقيع الكائنات غير النموذجية
قالت كاري إيكرت، عالمة الأحياء الاصطناعية في مختبر أوك ريدج الوطني: “تميل الميكروبات غير النموذجية إلى امتلاك الكثير من الأنماط الظاهرية التي لا يمكنك بناءها بسهولة في الأنظمة النموذجية”. ومع ذلك، فإن الكائنات النموذجية لديها أدوات وراثية يجب بناؤها للكائنات غير النموذجية.
على مدى العقد الماضي، أدى انخفاض تكاليف التسلسل إلى تعزيز الأبحاث المتعلقة بالكائنات غير النموذجية بشكل كبير. لقد جعل تسلسل الجينومات والنسخ بأكملها ممكنًا. قالت كاثرين جرابيك، كبيرة مسؤولي المنظمات في Fauna Bio، وهي شركة للتكنولوجيا الحيوية مقرها بيركلي تعمل على أنظمة الثدييات غير النموذجية: “يمكننا الآن أن ننظر إلى مقياس الزوج الأساسي بدلاً من تلك المناطق التي تبدو مهمة”.
ومع ذلك، لا تزال محطات التسلسل تمثل تحديًا، خاصة بالنسبة للمختبرات التي تعاني من ضائقة مالية أو الشركات الناشئة في مراحلها المبكرة. العديد من الجينومات النباتية غنية بالتكرارات والترانسبوزونات وهي متعددة الصيغ الصبغية. ونتيجة لذلك، فإن معظم النباتات يبلغ حجمها عدة أضعاف حجم الجينوم البشري. قال كوسيوبا: “إن القيام بتجميع ذلك يتطلب المزيد من الحوسبة”.
ومع ذلك، أضاف كوسيوبا، إذا تم تطوير النبات كنموذج متخصص، فإن القدرة على استزراعه ودراسة تعبيره الجيني قد يكون كافيًا. بالمقارنة مع النموذج العام، فإن النموذج المتخصص هو عندما يتم تطوير كائن حي لدراسة سمة معينة، مثل تحمل الجفاف. وبغض النظر عن ذلك، فإن التمرد، أو القدرة على مقاومة زراعة الأنسجة، يمكن أن يشكل تحديًا كبيرًا عند العمل مع أنواع نباتية جديدة.
يعد علم الجينوم المقارن أداة قوية يستخدمها الباحثون لتحديد الكائنات الحية الجديدة التي يمكن أن تكون مفيدة لمجموعة متنوعة من الدراسات البيولوجية. [دال-E]
للتغلب على هذا الحاجز، طور الباحثون أدوات تعتمد على رؤى حول دور عوامل النسخ في تجديد النبات. وقال كويسيوبا: “هناك تقنيات مثل Baby Boom، وهو عبارة عن وهم مكون من عاملين مختلفين للنسخ، حيث عندما تضع هذه العوامل في النبات، فإنها تبدأ في إنتاج البراعم”. إن كسر العناد يجعل النباتات غير النموذجية أكثر تقبلاً للهندسة الوراثية، بغض النظر عن قلة المعلومات المتوفرة عن زراعتها.
وبالمثل، بالنسبة للبكتيريا المتحولة غير النموذجية، “فإن العامل المحدد الرئيسي هو أنها تتعرف على أي حمض نووي غريب تضعه فيها وتنشط ضده”، كما يقول إيكيرت. تنظر البكتيريا إلى أنماط المثيلة للتمييز بين الحمض النووي الذاتي والحمض النووي الأجنبي. وأضاف إيكرت: “ما يمكننا فعله هو العثور على الإنزيمات التي تصنع أنماط المثيلة هذه وتعبر عن تلك الموجودة في الإشريكية القولونية التي نستخدمها في استنساخ الحمض النووي الخاص بنا”. وهذا يخدع البكتيريا المستهدفة بحيث تستقبل الحمض النووي الغريب، مما يسهل هندستها.
كما تعمل أدوات تحرير الجينات الدقيقة والفعالة، مثل كريسبر، على تمكين البحث في العديد من الكائنات غير النموذجية. بالنسبة لزراعة النباتات، يمكن استخدامه للتغلب على التمرد. قال كوسيوبا: “إذا كان هناك شخص قمعي متورط في آلية التمرد، فيمكن لتقنية كريسبر تعديله”.
في الكائنات غير النموذجية، يمكن استخدام تداخل كريسبر للكشف عن وظائف الجينات الجديدة. علاوة على ذلك، تكشف شاشات كريسبر على نطاق الجينوم عن الجينات المهمة للياقة البدنية، والمسارات الأيضية المشاركة في إنتاج المستقلبات، والروابط بينها.
عند مواجهة وفرة من الاختيارات، يمكن لعلم الجينوم الوظيفي والمقارنة عالي الإنتاجية أيضًا تحديد الكائنات غير النموذجية التي يجب العمل معها. تقوم شركة أركاديا للتكنولوجيا الحيوية ومقرها بيركلي بذلك عن طريق تتبع الأنماط عبر شجرة الحياة على مستويات بيولوجية مختلفة.
وقال سيماي تشو، الرئيس التنفيذي لشركة أركاديا: “نظرًا لعدم امتلاك جميع الجينات نفس التاريخ التطوري للكائن الحي ككل، يمكنك العثور على أنماط مثيرة للاهتمام حيث تختلف عما قد تتوقعه”. “وربما أمثلة على الحداثة، مثل التوسع المفاجئ لعائلة الجينات أو ظهور عائلة الجينات.” بناء على رإذا كان يرغب في الحصول على القدرات، فإن منصة الشركة تقدم تنبؤات بشأن الكائنات الحية التي يمكن أن تكون مثالية.
تطبيقات الكائنات غير النموذجية
في كثير من الأحيان، قد يُظهر الكائن الحي غير النموذجي لياقة أقل عند نموه في المختبر. إن تغيير الجينوم للاحتفاظ فقط بما هو ضروري يمكن أن يتغلب على هذا التحدي. ومن خلال رسم خرائط للعلاقات بين النمط الجيني والنمط الظاهري باستخدام شاشات كريسبر على مستوى الجينوم، يستطيع العلماء تحديد الجينات الضرورية لنظام غير نموذجي. وهذا يسمح بإنشاء هيكل مخفض الجينوم مع تحسين الاستقرار الجيني، واستخدام الموارد، وكفاءة التحويل، وبالتالي زيادة إنتاج المنتج المطلوب.
الكائنات غير النموذجية، وخاصة الميكروبات، مناسبة بشكل خاص لحماية البيئة. وذلك لأن لديهم القدرة على تحمل الضغط العالي ومسارات التمثيل الغذائي الفريدة التي تتكيف مع العيش في المواقع الملوثة. على سبيل المثال، اكتشف العلماء إنزيمات متعددة يمكنها تحليل المواد البلاستيكية في الميكروبات. في حين أن عزل هذه الإنزيمات يعد خيارًا، فإن استخدام هذه الميكروبات لتحويل البلاستيك والنفايات الأخرى يمكن أن يحسن الكفاءة.
تبحث أبحاث إيكيرت في العوامل الوراثية التي تؤدي إلى قدرة الكائن الحي على تحمل شيء ما أو القدرة على استخدام شيء ما. إحدى الميكروبات التي يعمل عليها إيكرت هي Pseudomonas putida، وهي بكتيريا غير نموذجية في التربة. قال إيكيرت: “لقد طورنا أدوات وراثية لذلك، وقد أصبح أحد الأنظمة النموذجية التي يمكنها تحليل اللجنين”.
رسم توضيحي يمثل المعالجة الحيوية للبلاستيك بواسطة الميكروبات [DALL-E]
يمكن للأبحاث على الكائنات غير النموذجية أن تفيد صحة الإنسان أيضًا. وفي معرض حديثه عن عمل أركاديا على القراد، قال تشو: “لقد حددنا مجموعة من الجزيئات الفعالة حقًا في منع الحكة”. تطورت القراد لتعض الحيوانات دون أن تكون مزعجة، والمفتاح هو الجزيئات الموجودة في لعابها.
تقوم شركة Fauna Bio بإجراء عمليات النسخ أحادية الخلية على أنسجة من سنجاب الأرض ذو الثلاثة عشر بطانة، وهو حيوان يمكنه السبات لأكثر من ستة أشهر في السنة. أثناء السبات، يمكن لهذه السناجب أن تتحمل درجات حرارة الجسم منخفضة تصل إلى 4-8 درجات مئوية، مما يؤدي إلى تلف الخلايا. إن الأفكار حول كيفية القيام بذلك يمكن أن تقدم تلميحات حول كيفية عكس الضرر الخلوي في الأمراض التي تصيب الإنسان. تبحث الشركة في الجينات التي يتم التعبير عنها بشكل تفاضلي أثناء السبات وتقارنها بجينومات البشر والثدييات الأخرى.
وقال جرابيك: “إننا نضيف حيوانات أخرى ذات فسيولوجيا متطرفة، مثل الفأر الشوكي”. يتمتع الفأر بإمكانية تجديد مذهلة ويمكنه شفاء أنسجة متعددة دون ندوب. وفي مشروع آخر، تقوم شركة Fauna Bio بتعريض السناجب الأرضية لجرعات منخفضة من الإشعاع طويل المدى للسناجب الأرضية، وذلك لمحاكاة ما قد يختبره رواد الفضاء في الفضاء للتحقق مما إذا كان للسبات تأثير وقائي.
زيادة
قام Cocioba بتجربة زهور بيضاء مختلفة بحثًا عن قالب لتصميم الزهور. كانت الأنواع التي نقرت أخيرًا هي نبات البطونية غير المُسمى الذي اشترته والدته من سوق المزارعين. “لقد عانيت مع زهور البتونيا في الماضي، حيث كانت العديد من الأصناف التجارية متمردة للغاية. قال كوسيوبا: “لقد جربت هذا النبات، وهو أسرع مصنع لزراعة الأنسجة عملت معه على الإطلاق”.
توضح هذه الحكاية كيف يمكن للكائنات غير النموذجية أن تقدم مفاجآت يمكن أن تفيد كيفية عمل البيولوجيا التركيبية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تساعد في التغلب على التحدي المتمثل في توسيع النطاق. “ربما تكون الطريقة لزيادة القدرة على التوسع بأمر من حيث الحجم لا تتمثل في جعل الإشريكية القولونية مختلفة قليلاً. قال تشو: “يمكن أن نبدأ بهيكل مختلف تمامًا قد يحتوي على مكونات أفضل للنجاح”.
مع تقدم البيولوجيا التركيبية مما يجعل من السهل هندسة الكائنات الحية، سوف يستكشف الباحثون أشكال حياة أكثر تنوعًا ومرونة. وسيكون لهذه التطبيقات تطبيقات في مجالات الاستدامة وصحة الإنسان والتطبيقات الصناعية. وفي حلقة ردود الفعل الإيجابية، يمكن لهذه الكائنات غير النموذجية أيضًا أن تكشف عن المكونات الجينية التي من شأنها توسيع نطاق ومقياس البيولوجيا التركيبية.
