الحد الأدنى من الخلايا الاصطناعية: خلق حياة كافية للبحث الطبي

• كاتب:
• اسم المؤلف

  البصيرة الكمومية
• 23 كانون الأول، 2022

ملخص البصيرة

لاستكشاف أساسيات الحياة، قام العلماء بتقليص الجينومات لإنشاء الحد الأدنى من الخلايا، والكشف عن الوظائف الأساسية الضرورية للحياة. وقد أدت هذه الجهود إلى اكتشافات وتحديات غير متوقعة، مثل أشكال الخلايا غير المنتظمة، مما دفع إلى مزيد من التحسين وفهم الأساسيات الوراثية. يمهد هذا البحث الطريق للتقدم في البيولوجيا التركيبية، مع تطبيقات محتملة في تطوير الأدوية، ودراسة الأمراض، والطب الشخصي.

سياق الخلايا المصطنعة الدنيا

الحد الأدنى من الخلايا الاصطناعية أو تصغير الجينوم هو نهج عملي للبيولوجيا التركيبية لفهم كيف تؤدي التفاعلات بين الجينات الأساسية إلى عمليات فسيولوجية حيوية. استخدم تصغير الجينوم طريقة تصميم - بناء - اختبار - تعلم تعتمد على التقييم والجمع بين الأجزاء الجينومية المعيارية والمعلومات من طفرات الينقولات (عملية نقل الجينات من مضيف إلى آخر) للمساعدة في توجيه عمليات حذف الجينات. قللت هذه الطريقة من التحيز عند العثور على الجينات الأساسية وأعطت العلماء الأدوات اللازمة لتغيير الجينوم وإعادة بنائه ودراسته وما يفعله.

في عام 2010 ، أعلن العلماء في معهد J. Craig Venter ومقره الولايات المتحدة أنهم نجحوا في القضاء على الحمض النووي لبكتيريا Mycoplasma capricolum واستبدله بالحمض النووي الناتج عن الكمبيوتر استنادًا إلى بكتيريا أخرى ، Mycoplasma mycoides. أطلق الفريق على الكائن الحي الجديد JCVI-syn1.0 ، أو "Synthetic" ، اختصارًا. كان هذا الكائن الحي أول نوع يتكاثر ذاتيًا على الأرض ويتألف من آباء الكمبيوتر. تم إنشاؤه لمساعدة العلماء على فهم كيفية عمل الحياة ، بدءًا من الخلايا إلى أعلى. 

في عام 2016 ، أنشأ الفريق JCVI-syn3.0 ، وهو كائن وحيد الخلية به جينات أقل من أي شكل آخر معروف للحياة البسيطة (473 جينًا فقط مقارنة بجينات JVCI-syn1.0 901). ومع ذلك ، فإن الكائن الحي تصرف بطرق غير متوقعة. فبدلاً من إنتاج خلايا صحية ، قامت بتكوين خلايا غريبة الشكل أثناء التكاثر الذاتي. أدرك العلماء أنهم أزالوا الكثير من الجينات من الخلية الأصلية ، بما في ذلك الجينات المسؤولة عن الانقسام الطبيعي للخلايا. 

التأثير التخريبي

عازمًا على العثور على كائن حي سليم يحتوي على أقل عدد ممكن من الجينات ، قام علماء الفيزياء الحيوية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) بإعادة مزج كود JCVI-syn3.0 في عام 2021. وقد تمكنوا من إنشاء متغير جديد يسمى JCVI-syn3A. على الرغم من أن هذه الخلية الجديدة تحتوي على 500 جين فقط ، إلا أنها تتصرف كخلية عادية بفضل عمل الباحثين. 

يعمل العلماء على تجريد الخلية إلى أبعد من ذلك. في عام 2021 ، تطور كائن اصطناعي جديد يُعرف باسم M. mycoides JCVI-syn3B لمدة 300 يوم ، مما يدل على أنه يمكن أن يتحور في ظل ظروف مختلفة. كما يتفاؤل المهندسون الحيويون بأن كائنًا أكثر انسيابية يمكن أن يساعد العلماء على دراسة الحياة في أبسط مستوياتها وفهم كيفية تقدم الأمراض.

في عام 2022 ، أنشأ فريق من العلماء من جامعة إلينوي في Urbana-Champaign و JVCI و Technische Universität Dresden ومقرها ألمانيا نموذجًا حاسوبيًا لـ JCVI-syn3A. يمكن لهذا النموذج أن يتنبأ بدقة بنمو نظيره الواقعي وبنيته الجزيئية. اعتبارًا من عام 2022 ، كان هذا هو النموذج الأكثر اكتمالا للخلية الكاملة الذي قام الكمبيوتر بمحاكاته.

يمكن أن توفر هذه المحاكاة معلومات قيمة. تتضمن هذه البيانات عمليات التمثيل الغذائي والنمو والمعلومات الجينية على مدار دورة الخلية. يقدم التحليل نظرة ثاقبة لمبادئ الحياة وكيفية استهلاك الخلايا للطاقة ، بما في ذلك النقل النشط للأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات والأيونات. مع استمرار نمو الحد الأدنى من أبحاث الخلايا ، يمكن للعلماء إنشاء أنظمة بيولوجيا تركيبية أفضل يمكن استخدامها لتطوير الأدوية ودراسة الأمراض واكتشاف العلاجات الجينية.

الآثار المترتبة على الحد الأدنى من الخلايا الاصطناعية

قد تتضمن الآثار الأوسع لتطوير الخلايا المصطنعة الدنيا ما يلي: 

• المزيد من التعاون العالمي لإنشاء أنظمة حياة مجردة ولكنها فعالة للبحث.
• زيادة استخدام التعلم الآلي ونمذجة الكمبيوتر لرسم خرائط للهياكل البيولوجية ، مثل خلايا الدم والبروتينات.
• البيولوجيا التركيبية المتقدمة والهجينة من الآلة والكائن الحي ، بما في ذلك الروبوتات الحية. ومع ذلك ، قد تتلقى هذه التجارب شكاوى أخلاقية من بعض العلماء.
• تستثمر بعض شركات التكنولوجيا الحيوية والأدوية الحيوية بكثافة في مبادرات البيولوجيا التركيبية لتسريع تطورات الأدوية والعلاج.
• زيادة الابتكارات والاكتشافات في مجال التحرير الجيني حيث يتعلم العلماء المزيد عن الجينات وكيف يمكن التلاعب بها.
• تعزيز الأنظمة المتعلقة بأبحاث التكنولوجيا الحيوية لضمان الممارسات الأخلاقية، والحفاظ على النزاهة العلمية وثقة الجمهور.
• ظهور برامج تعليمية وتدريبية جديدة تركز على البيولوجيا التركيبية وأشكال الحياة الاصطناعية، وتزويد الجيل القادم من العلماء بالمهارات المتخصصة.
• التحول في استراتيجيات الرعاية الصحية نحو الطب الشخصي، وذلك باستخدام الخلايا الاصطناعية والبيولوجيا الاصطناعية لعلاجات وتشخيصات مصممة خصيصا.

أسئلة للنظر فيها

• إذا كنت تعمل في مجال البيولوجيا التركيبية ، فما هي الفوائد الأخرى للحد الأدنى من الخلايا؟
• كيف يمكن للمنظمات والمؤسسات العمل معًا لتطوير البيولوجيا التركيبية؟