معرفی: Syn57، باکتری با کد ژنتیکی فشرده
بیش از سه میلیارد سال است که تمام جانداران شناختهشده از یک زبان ژنتیکی پایه استفاده میکنند که شامل 64 کدون است؛ هر کدون از سه نوکلئوتید ساخته شده و دستورالعمل افزودن آمینواسیدها را برای تولید پروتئینها تعیین میکند. گروهی از محققان در آزمایشگاه زیستشناسی مولکولی Medical Research Council در بریتانیا اکنون نسخهای ساختهاند که این «زبان» را فشردهتر کرده است: باکتری مصنوعی Escherichia coli موسوم به Syn57 که تنها از 57 کدون از 64 کدون ممکن بهره میبرد.
این کار با هدف حذف برخی کدونهای هممعنی (synonymous codons) انجام شد؛ کدونهایی که در زیست طبیعی تکراری هستند و با وجود تنوع 64 کدونی، تنها 20 آمینواسید برای ساخت پروتئینها کفایت میکنند. حذف هدفمند برخی از این موارد تکراری، امکان بازتعریف یا اختصاص کارکردهای جدید برای کدونهای باقیمانده را فراهم میکند و به همین دلیل این دستاورد از اهمیت بالایی برخوردار است.
پیشزمینه علمی و جزئیات فنی
زبان ژنتیک: کدونها و آمینواسیدها
در ژنتیک مولکولی، سهحروفیهای نوکلئوتیدی که به آنها کدون گفته میشود، واحدهای معناگرای ترجمه ژن به پروتئین هستند. هنگام ساخت پروتئین، دستگاه ترجمه در سلول زنجیره کدونها را میخواند تا بداند کدام آمینواسید را اضافه کند و چه زمانی روند ترجمه باید پایان یابد. بسیاری از این کدونها هممعنیاند؛ یعنی چند کدون مختلف میتوانند یک آمینواسید یکسان را مشخص کنند. گروه پژوهشی در پروژه Syn57 چهار کدونِ مربوط به سرین، دو کدونِ آلانین و یک کدون توقف را هدف قرار دادند و آنها را با کدونهای هممعنی جایگزین کردند.
چگونه این کار انجام شد
این تغییرات در مجموع بیش از 101 هزار جایگزینی را شامل شد. تیم ابتدا طراحی را بهصورت دیجیتال در قطعات 100 کیلوبایتی انجام داد، سپس قطعات سنتتیک را ساختند و هر بخش را جداگانه در سلولهای زنده آزمایش کردند تا از وارد شدن تغییرات کشنده یا اختلالزا جلوگیری شود. پس از آزمونهای تدریجی، تمامی قطعات به هم وصل شد تا ژنوم کامل و سنتتیک حاصل شود. یکی از پژوهشگران، وسلی رابرتسون، درباره دشواری پروژه اشاره کرد که تیم بارها با شک درباره امکان ادامه کار مواجه شد، اما نهایتاً موفق شدند پروژه را به سرانجام برسانند.
نتایج، پیامدها و کاربردها
کاهش تعداد کدونها نشان میدهد که حیات میتواند با یک برنامه ژنتیکی فشردهتر دوام بیاورد و در عین حال فرصتهای جدیدی ایجاد میکند. آزاد شدن کدونها میتواند به معرفی آمینواسیدهای غیرکاننیکال کمک کند؛ آمینواسیدهایی که در طبیعت رایج نیستند اما خواص شیمیایی جدیدی به پروتئینها و پلیمرها میدهند و کاربردهای صنعتی، دارویی و مواد نوآورانه ایجاد میکنند. پژوهشگران در بیانیهای اعلام کردند که Syn57 فضای بیشتری برای گسترش کد ژنتیکی فراهم میآورد و امکان توسعه پلیمرها و ماکروسیکلهای سنتتیک را میسر میکند.
از منظر حفاظت زیستی، کدونهای بازتعریفشده برای میکروبهای طبیعی و ویروسها تا حدی «غیرقابلخوانا» خواهند بود؛ ویروسها که برای تکثیر به ماشین ترجمه سلول میزبان متکیاند، ممکن است نتوانند از یک میزبان با کد ژنتیکی بازنویسیشده سوءاستفاده کنند. این میتواند به کاهش خطرات شیوع ویروسی در فرایندهای تولید صنعتی پروتئین کمک کند و در عین حال احتمال انتقال اطلاعات ژنتیکی اصلاحشده به محیط طبیعی را کاهش دهد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر سحر قادری، زیستشناس مولکولی و کارشناس بیوتکنولوژی، میگوید: «این پروژه یک گام مهم در مهندسی ژنوم است؛ ترکیب طراحی محاسباتی دقیق با آزمایشهای مرحلهای امکان مدیریت ریسک را فراهم میکند. با این حال، برای کاربردهای صنعتی و زیستمحیطی، باید ارزیابیهای جامعتری از پایداری، ایمنی و اثرات احتمالی انتشار محیطی انجام شود.»
نتیجه گیری
دستیابی به Syn57 نشان میدهد که میتوان کد ژنتیکی حیات را بازطراحی و فشرده کرد؛ این پیشرفت مسیر جدیدی برای معرفی آمینواسیدهای غیرمعمول، توسعه مواد سنتتیک نو و ایجاد روشهای حفاظتی در مهندسی زیستی باز میکند. اما همراه با فرصتها، پرسشهای اخلاقی، ایمنی و زیستمحیطی نیز مطرح است که نیازمند بررسی و مقرراتگذاری آینده هستند.