يصممون الجينوم الأول للكائن الحي المتولد بالكامل بواسطة الكمبيوتر

بالعربي / تم تطوير أول جينوم لبكتيريا مصممة بالكامل بواسطة خوارزمية كمبيوتر من قبل علماء في ETH زيوريخ ، وهو إنجاز له القدرة على إحداث ثورة في التكنولوجيا الحيوية.

Caulobacter ethensis-2.0 ، هو أول جينوم لكائن حي يتم إنشاؤه بالكامل بواسطة الكمبيوتر. ومع ذلك ، يجب التأكيد على أنه على الرغم من أن جينوم C. ethensis-2.0 تم إنتاجه ماديًا في شكل جزيء كبير جدًا من الحمض النووي ، إلا أنه لا يوجد حتى الآن أي كائن حي: لا تزال الوظيفة البيولوجية على مستوى البروتين كما هي أن من أصل الكائن ، ويؤكد بيان من ETH زيوريخ.

يستند C. ethensis-2.0 إلى جينوم بكتيريا المياه العذبة المدروسة جيدًا وغير الضارة ، Caulobacter crescentus ، وهي بكتيريا طبيعية موجودة في مياه الينابيع والأنهار والبحيرات في جميع أنحاء العالم. لا يسبب أي مرض.

C. crescentus هو أيضًا كائن نموذجي شائع الاستخدام في مختبرات الأبحاث لدراسة حياة البكتيريا. يحتوي جينوم هذه البكتيريا على 4000 جين. وقد أظهر العلماء من قبل أن حوالي 680 من هذه الجينات فقط هي الحاسمة لبقاء النوع في المختبر. البكتيريا مع هذا الجينوم الحد الأدنى قابلة للحياة تحت ظروف المختبر.

التوليف الكيميائي من الصفر

فاز بيت كريستين ، أستاذ بيولوجيا النظم التجريبية في ETH زيوريخ ، وشقيقه ، ماتياس كريستن ، الكيميائي في ETH زيوريخ ، على الحد الأدنى من جينوم C. crescentus كنقطة انطلاق. اقترحوا تجميع هذا الجينوم كيميائيًا من نقطة الصفر ، ككروموسوم في شكل حلقة مستمرة.

كانت هذه المهمة تُعتبر سابقًا “سباق القوة” الحقيقي: الجينوم البكتيري الذي تم توليفه كيميائيًا قبل أحد عشر عامًا من رواد علم الوراثة الأمريكي كريج فينتر كان نتيجة عشرون عامًا من العمل من قبل عشرين عالمًا ، وفقًا لتقارير وسائل الإعلام. يقال أن تكلفة المشروع بلغت 40 مليون دولار.

بينما قام فريق Venter بعمل نسخة دقيقة من الجينوم الطبيعي ،قام الباحثون في ETH Zurich بتغيير جذري للجينوم باستخدام خوارزمية الكمبيوتر. كان دافعهم ذا شقين: واحد ، لتسهيل إنتاج الجينوم ، والثاني ، لمعالجة المسائل الأساسية لعلم الأحياء.

لإنشاء جزيء الحمض النووي كبير مثل الجينوم البكتيري ، يجب على العلماء المضي قدما خطوة بخطوة. في حالة جينوم Caulobacter ، قام علماء ETH Zurich بتوليف 236 قطعة من الجينوم ، قاموا بتجميعها فيما بعد. “إن توليف هذه القطاعات ليس بالأمر السهل” ، يوضح ماتياس كريستين.

“لا تتمتع جزيئات الحمض النووي فقط بالقدرة على الالتزام بجزيئات الحمض النووي الأخرى ، ولكن ، حسب التسلسل ، يمكن أيضًا أن تكون ملتوية إلى حلقات وعقد ، مما قد يعيق عملية الإنتاج أو يجعل التصنيع مستحيلًا” يشرح ماتياس كريستين.

تبسيط الجينومات

لتركيب شرائح الجينوم بأبسط طريقة ممكنة ، ثم تجميع جميع الشرائح معًا بطريقة أكثر عقلانية ، قام العلماء بتبسيط تسلسل الجينوم بشكل جذري دون تعديل المعلومات الجينية الحقيقية (على مستوى البروتين). هناك مجال واسع لتبسيط الجينومات ، لأن البيولوجيا تضم ​​عناصر احتياطية زائدة لتخزين المعلومات الجينية. على سبيل المثال ، بالنسبة للعديد من مكونات البروتين (الأحماض الأمينية) ، هناك احتمالان أو أربعة أو أكثر لكتابة معلوماتك في الحمض النووي.

تستخدم الخوارزمية التي طورها علماء ETH Zurich الاستخدام الأمثل لهذا التكرار للشفرة الوراثية. باستخدام هذه الخوارزمية ، قام الباحثون بحساب تسلسل الحمض النووي المثالي لتركيب وبناء الجينوم ، والتي استخدموها في نهاية المطاف لعملهم.

ونتيجة لذلك ، زرع العلماء العديد من التعديلات الصغيرة في الحد الأدنى من الجينوم ، وهو أمر مثير للإعجاب في مجمله: فقد تم استبدال أكثر من سدس جميع الـ 800 ألف حرف من الدنا في الجينوم الاصطناعي ، مقارنةً بالحد الأدنى للجينوم. “طبيعية”.

يقول بيت كريستين: “من خلال خوارزمية لدينا ، أعدنا بالكامل كتابة جينومنا في سلسلة جديدة من حروف الحمض النووي التي لم تعد تشبه التسلسل الأصلي ، ولكن الوظيفة البيولوجية على مستوى البروتين تظل كما هي”. .