حداقل سلول های مصنوعی: ایجاد حیات کافی برای تحقیقات پزشکی

• نویسنده:
• نام نویسنده

  آینده نگاری کوانتوم ران
• دسامبر 23، 2022

خلاصه بینش

دانشمندان با کاوش در ملزومات زندگی، ژنوم ها را کاهش داده اند تا حداقل سلول ها را ایجاد کنند و عملکردهای اصلی لازم برای زندگی را آشکار کنند. این تلاش‌ها منجر به اکتشافات و چالش‌های غیرمنتظره‌ای مانند شکل‌های نامنظم سلولی شده است که باعث اصلاح و درک بیشتر ضروریات ژنتیکی شده است. این تحقیق راه را برای پیشرفت در زیست شناسی مصنوعی، با کاربردهای بالقوه در توسعه دارو، مطالعه بیماری و پزشکی شخصی هموار می کند.

بافت سلول حداقل مصنوعی

حداقل سلول های مصنوعی یا به حداقل رساندن ژنوم یک رویکرد زیست شناسی مصنوعی عملی برای درک اینکه چگونه تعامل بین ژن های ضروری منجر به فرآیندهای فیزیولوژیکی حیاتی می شود. کمینه سازی ژنوم از یک روش طراحی-ساخت-آزمون-یادگیری استفاده کرد که بر ارزیابی و ترکیب بخش های ژنومی مدولار و اطلاعات حاصل از جهش زایی ترانسپوزون (فرایند انتقال ژن ها از یک میزبان به میزبان دیگر) برای کمک به حذف ژن متکی بود. این روش سوگیری را هنگام یافتن ژن های ضروری کاهش داد و به دانشمندان ابزارهایی برای تغییر، بازسازی و مطالعه ژنوم و کارهایی که انجام می دهد داد.

در سال 2010، دانشمندان مؤسسه جی کریگ ونتر (JVCI) مستقر در ایالات متحده اعلام کردند که با موفقیت DNA باکتری Mycoplasma capricolum را از بین برده و آن را با DNA تولید شده توسط کامپیوتر بر اساس باکتری دیگری به نام Mycoplasma mycoides جایگزین کردند. این تیم ارگانیسم جدید خود را JCVI-syn1.0 یا به اختصار «Synthetic» نامیدند. این ارگانیسم اولین گونه خودتکثیر شونده روی زمین بود که از والدین کامپیوتری تشکیل شده بود. این برای کمک به دانشمندان برای درک چگونگی عملکرد زندگی، از سلول‌ها به بالا، ایجاد شد. 

در سال 2016، این تیم JCVI-syn3.0 را ایجاد کرد، یک ارگانیسم تک سلولی با ژن های کمتر از هر شکل شناخته شده دیگری از زندگی ساده (فقط 473 ژن در مقایسه با ژن 1.0 JVCI-syn901). با این حال، ارگانیسم به روش های غیرقابل پیش بینی عمل کرد. به جای تولید سلول‌های سالم، سلول‌هایی با شکل عجیب و غریب در طول خود همانندسازی ایجاد کرد. دانشمندان متوجه شدند که ژن‌های زیادی را از سلول اصلی حذف کرده‌اند، از جمله ژن‌هایی که مسئول تقسیم سلولی طبیعی هستند. 

تاثیر مخرب

بیوفیزیکدانان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و مؤسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) که مصمم به یافتن یک ارگانیسم سالم با کمترین ژن ممکن هستند، کد JCVI-syn3.0 را در سال 2021 بازسازی کردند. آنها توانستند یک کد را ایجاد کنند. نوع جدیدی به نام JCVI-syn3A. اگرچه این سلول جدید تنها 500 ژن دارد، اما به لطف کار محققان بیشتر شبیه یک سلول معمولی رفتار می کند. 

دانشمندان در تلاش هستند تا سلول را حتی بیشتر از این هم از بین ببرند. در سال 2021، یک ارگانیسم مصنوعی جدید به نام M. mycoides JCVI-syn3B به مدت 300 روز تکامل یافت و نشان داد که می تواند تحت شرایط مختلف جهش یابد. مهندسان زیستی همچنین خوش بین هستند که یک ارگانیسم کارآمدتر می تواند به دانشمندان کمک کند تا زندگی را در ابتدایی ترین سطح آن مطالعه کنند و بفهمند که چگونه بیماری ها پیشرفت می کنند.

در سال 2022، تیمی از دانشمندان دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign، JVCI، و دانشگاه فنی درسدن مستقر در آلمان، یک مدل کامپیوتری از JCVI-syn3A ایجاد کردند. این مدل می تواند رشد واقعی و ساختار مولکولی آنالوگ واقعی خود را به دقت پیش بینی کند. از سال 2022، این کامل ترین مدل تمام سلولی بود که یک کامپیوتر شبیه سازی کرده بود.

این شبیه سازی ها می توانند اطلاعات ارزشمندی را ارائه دهند. این داده ها شامل متابولیسم، رشد و فرآیندهای اطلاعات ژنتیکی در یک چرخه سلولی است. این تجزیه و تحلیل بینشی در مورد اصول زندگی و نحوه مصرف انرژی سلول ها، از جمله انتقال فعال اسیدهای آمینه، نوکلئوتیدها و یون ها ارائه می دهد. با ادامه رشد حداقل تحقیقات سلولی، دانشمندان می توانند سیستم های زیست شناسی مصنوعی بهتری ایجاد کنند که می تواند برای توسعه داروها، مطالعه بیماری ها و کشف درمان های ژنتیکی مورد استفاده قرار گیرد.

پیامدهای سلول های حداقل مصنوعی

پیامدهای گسترده تر توسعه سلول های حداقل مصنوعی ممکن است شامل موارد زیر باشد: 

• همکاری های جهانی بیشتر برای ایجاد سیستم های زندگی ضعیف اما کارآمد برای تحقیق.
• افزایش استفاده از یادگیری ماشین و مدل‌سازی کامپیوتری برای نقشه‌برداری ساختارهای بیولوژیکی، مانند سلول‌های خونی و پروتئین‌ها.
• زیست شناسی مصنوعی پیشرفته و هیبریدهای دستگاه-ارگانیسم، از جمله ربات های بدن روی تراشه و زنده. با این حال، این آزمایشات ممکن است شکایات اخلاقی را از سوی برخی از دانشمندان دریافت کند.
• برخی از شرکت‌های بیوتکنولوژی و داروسازی بیوتکنولوژیک به شدت در ابتکارات زیست‌شناسی مصنوعی برای پیگیری سریع پیشرفت‌های دارویی و درمانی سرمایه‌گذاری می‌کنند.
• نوآوری و اکتشافات در ویرایش ژنتیکی افزایش یافته است زیرا دانشمندان بیشتر در مورد ژن ها و نحوه دستکاری آنها می آموزند.
• مقررات تقویت شده در مورد تحقیقات بیوتکنولوژیکی برای اطمینان از شیوه های اخلاقی، حفظ یکپارچگی علمی و اعتماد عمومی.
• ظهور برنامه های آموزشی و آموزشی جدید با تمرکز بر زیست شناسی مصنوعی و اشکال زندگی مصنوعی، تجهیز نسل بعدی دانشمندان به مهارت های تخصصی.
• تغییر در استراتژی های مراقبت های بهداشتی به سمت پزشکی شخصی، استفاده از سلول های مصنوعی و زیست شناسی مصنوعی برای درمان ها و تشخیص های سفارشی.

سوالاتی که باید در نظر گرفته شود

• اگر در زمینه زیست شناسی مصنوعی کار می کنید، مزایای دیگر سلول های حداقل چیست؟
• چگونه سازمان ها و موسسات می توانند برای پیشبرد زیست شناسی مصنوعی با یکدیگر همکاری کنند؟