دی ان ای مصنوعی

بیگ بنگ: دانشمندان یک باکتری را مهندسی کرده اند که مادۀ ژنتیکی اش شامل یک جفتِ اضافی از «حروفِ» DNA می باشد، به گفته دانشمندان چنین باکتری در طبیعت یافت نمی شود. سلول های این باکتریِ منحصر بفرد زمانیکه عناصر ساختاریِ مولکولی آن تأمین شوند می تواند بسترهای مصنوعی DNA را بصورت طبیعی کپی کند.

به گزارش بیگ بنگ، پروفسور فلوید رومزبرگ استادیارِ و رهبر این تحقیقات گفت: «حیات بر روی کرۀ زمین با تمام تنوعش فقط با دو جفت رشته DNA کدگذاری می شود: A-T ، C-G و چیزی که ساخته ایم در واقع ارگانیسمی است که شامل این دو جفت همراه با سومین جفتِ مصنوعی از رشته DNA می باشد. این امر نشان می دهد که راه حل های دیگری برای ذخیرۀ اطلاعات امکانپذیر هستند و البته ما را به زیست شناسیِ گسترده ترِ DNA نزدیک تر می کنند که دارای تعداد زیادی کاربردهای هیجان انگیز ، از قبیل ساخت داروهای جدید و دستیابی به انواع جدیدی از نانوتکنولوژی میباشد.»

رومزبرگ و آزمایشگاهش از اواخر دهۀ 90 مشغول بکار بوده اند، آنها قبلا نشان داده بودند که چگونه می توان رشته های جدید موسوم به X و Y را به صورت جفت به مولکول DNA در لوله آزمایشگاهی وارد کرد. حالا آنها این کار را با یک ارگانیسم زنده کرده اند. آنها در این آزمایش یک باکتری “ای کولای”(1) را تولید کرده اند که به جای چهار رشته متداول ،شش رشته دارد، که دو تای آنها مصنوعی است. ساختمان همه اشکال حیات – از تک یاخته ها گرفته تا پستانداران عالی – چهار واحد یا رشته شیمیایی است که به صورت جفت هایی مرتب شده اند. جالب اینکه باکتری ای کولای که این جفت رشته مصنوعی وارد آن شده شروع به کپی کردن و انتقالش به نسل بعدی است.

رومزبرگ و همکارانش از سال ۲۰۰۸ گام بزرگی را به سمت دستیابی به هدفشان برداشته اند. آنها در مطالعه ای که سال گذشته منتشر کردند، مجموعه هایی از مولکول های نوکلئوتید را شناسایی کردند که می توانند براحتی جفت رشته های طبیعی را به رشته ی دوگانۀ DNA متصل کنند. آنها نشان دادند که DNA این جفت رشته های طبیعی می توانند در حضورِ آنزیم ها ، کپی شوند. در مطالعه ای که در سال جاری انجام شد، محققان قادر بودند آنزیم هایی را پیدا کنند که به DNA متصل می شوند و می توانند RNA رونویسی و کپی کنند.(۲)

به گفتۀ پروفسور رومزبرگ ،درحال حاضر دو پایه جدید هیچ نقش فعالی در بیولوژی باکتری ندارند اما وی قصد دارد در آینده وظایفی را برای این دو پایه جدید تعیین کند. رشته های A، T، C و G در واقع حروف حیات هستند و ترکیب های مختلف آنهاست که به تولید آمینو اسید (۳) و بعد ملکول پروتئین ها در سلول منجر می شود. به این ترتیب با اضافه کردن دو رشته به این چهار رشته زمینه به طور نظری برای تولید پروتئین های مصنوعی فراهم می شود. نتیجه ای که اگر حاصل شود تولید داروها، مواد پلاستیکی و سایر مواد تازه دیگر را به دنبال خواهد داشت. اما گفته می شود تا آن زمان راه درازی باقی است.

به گزارش گروه فضای مجازی به نقل از تابناک، تلاش بی‌پایان دانشمندان در جهت مطالعه و ویرایش و تغییر مولکول حیات یا DNA همچنان ادامه دارد. در پایان سال ۲۰۱۶، دانشمندان با استفاده از یک قیچی و ویرایشگر ژن موسوم به نام CRISPR، برای نخستین بار تلاش کردند با تغییر ژنوم بیماران مبتلا به سرطان در جهت بهبودی آنها تلاش کنند و حالا بر اساس اخبار جدید، آنها توانسته‌اند که با استفاده از DNA مصنوعی، شکل جدیدی از حیات را بسازند.

بنا بر این گزارش، در تحول جدید آنها میکروبی به نام «ای کولای» را با DNA مصنوعی در آزمایشگاه ساخته‌اند که قادر به تولید به پروتئین خاصی است که کاربرد دارویی دارد. نتایج این تحقیق به تازگی در ژورنال Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.

DNA مولکول بزرگی از اسیدهای نوکلئیک است که حاوی دستورالعمل‌های ژنتیکی برای همه جانداران است. علیرغم تنوع بسیار زیاد اشکال حیات روی کره زمین، الفبای استفاده شده در DNA، شامل فقط ۴ حرف است. DNA شامل تنها ۴ باز مولکولی آدنین، گوانین ، سیتوزین و تیمین است. آدنین با تیمین و نیز سیتوزین با گوانین با اتصالات هیدروژنی متصل می‌شود و از این طریق مارپیچ مضاعف حیات ساخته می‌شود.

اما دانشمندان برای نخستین بار موفق شده‌اند که بازهای جدیدی به «حروف قبلی حیات» بیفزایند، آنها نام دو حرف جدید را X و Y نهاده‌اند. به این ترتیب میکروب «ای کولای» تازه تولید شده به جای ۴ باز آلی، حاوی ۶ باز نوکلئوتیدی است.

نویسندگان مقاله ادعا می‌کنند که کار آنها نخستین گم عملی در جهت ساختن موجوداتی با ویژگی‌های واقعا متفاوت است.

البته افتخار خلق نخستین موجود زنده با DNA مضنوعی به مؤسسه پژوهشی Scripps می‌رسد که سه پال پیش این کار را انجام داد. اما این موجود به سرعت می‌مرد و نمی‌توانست به صورت منظم بازهای ژنتیکی خود را به نسل‌های جدید خود منتقل کند. اما «ای کولای» جدید، یک موجود نیمه‌صناعی است که می‌تواند مانند یک موجود عادی، تقسیم سلولی کند.

البته باید خاطرنشان کنیم که اجزای X و Y در DNA «ای کولای» جدید، فعلا عملکردی نیستند، یعنی علیرغم حضور در DNA و منتقل شدن به فرزندان «ای کولای»، عملکرد ژنتیکی خاصی ندارند.

تولید دی‌ان‌ای مصنوعی!

سال گذشته بیش از 100 دانشمند در جلسه‌ای سری گردهم آمدند تا روی پروژه بلندپروازنه تولید شش میلیارد "حرفی" بحث کنند که کد ژنتیکی منحصر به فرد انسان را شکل می‌دهند.

العالم - گوناگون

تیمی بین‌المللی متشکل از دانشمندان به دنبال کسب بودجه 100 میلیون دلاری جهت تولید دی ان ای مصنوعی هستند.

آنها در نظر دارند ابتدا دی‌ان‌ای گیاهان و میکروب‌ها را تولید کنند و سپس به سمت تولید دی‌ان‌ای مصنوعی انسان گام بردارند.

تولید دی‌ان‌ای به معنای خلق تمامی شش میلیارد "حرف" موجود در ژنوم انسان است.

هفته آینده این دانشمندان دوباره گردهم خواهند آمد تا پروژه 100 میلیون دلاری برای تولید مصنوعی بلوک‌های سازنده حیات را رسما اعلام کنند.

جف بوئک، مدیر «موسسه سیستم‌های ژنتیکی» در دانشگاه نیویورک و یکی از این محققان، به تازگی از طرح‌هایی صحبت کرده که هدفشان تولید دی‌ان‌ای مصنوعی انسان ظرف چهار تا پنج سال آینده است.

پروژه جدید (Human Genome Project-write (HGP-write نام دارد و دستاوردهای آن را می‌توان در آینده برای پیوند زدن اعضای بدن و همچنین ایمن کردن بدن در مقابل ویروس‌ها نیز به کار برد.

موفقیت دانشمندان در تولید DNA مصنوعی

به گزارش مرکز اطلاعات بیوتکنولوژی ایران به نقل از زیست‌فن، تکثیر DNA یکی از عملکردهای ضروری یک سلول زنده محسوب می شود که امکان تقسیم سلولی، تکثیر و انتقال اطلاعات ژنتیکی به زاده های یک سلول را فراهم می نماید و شبیه‌سازی این عملکرد یک گام ضروری در تولید سلول مصنوعی محسوب می‌شود. هم اکنون محققان موفق شده‌اند در نوعی ساختار شبه سلولی، یک نسخه دست ساز DNA به منظور همانندسازی تولید کنند.

مکانیسم های فرودست همانندسازی DNA شامل سه مرحله مهم است؛ ابتدا DNA به نوعی RNA پیامبر (mRNA) رونویسی شده و سپس به پروتئین‌ها ترجمه می‌شود. این پروتئین‌ها بار بسیاری از اعمال حیاتی سلول را بر عهده دارند به طوری که برخی از آن‌ها در تکثیر DNA ایفای نقش می‌کنند و درنهایت سبب می‌شوند هر سلول دختری یک کپی از ماده ژنتیکی سلول مادری را دارا باشد.

محققان ژاپنی از طریق استخراج ترکیبات سلولی E.coli و سانتریفیوژ آن‌ها توانستند یک سیستم کوچک منفرد برای سنتز mRNA و پروتئین شبیه سازی نمایند. گروهی دیگر از محققین بر آن شدند تا با تکمیل این چرخه با فرایند همانندسازی DNA، جریان کامل اطلاعات ژنتیکی در یک ساختار شبه سلولی به نام لیپوزوم را بازسازی نمایند.این دانشمندان طبق تحقیقاتی در سال ۲۰۱۸، به این نتیجه رسیدند که ماشین همانندسازی ویروس ɸ۲۹ به سبب ژنوم کوچک و تعداد محدود پروتئین های آن‌ها (این ویروس برای همانندسازی DNA تنها نیازمند ۴ پروتئین می باشد) و کارآمدی بالای این ویروس در کدکردن این پروتئین ها گزینه مناسبی برای این کار به نظر می رسد.

دانشمندان تلاش کردند تا ژن‌های کدکننده پروتئین های مربوط به همانندسازی DNA در این ویروس را با کدهای ژنتیکی لازم برای انجام فرایند رونویسی و ترجمه در یک مدل ترکیبی ادغام نمایند. آن‌ها موفق به ساخت یک نسخه DNA منحصر به فرد شدند که دربرگیرنده اطلاعات ژنتیکی مربوط به جایگاه مناسب برای اتصال ریبوزوم و فاکتورهای ضروری برای تولید پروتئین ها بود.

هدفی که امروزه محققان به دنبال آن هستند این است که واحد تنظیم کننده انتقال اطلاعات ژنتیکی را با عملکردهای سلولی ضروری همچون رشد و تقسیم ترکیب نمایند. سال گذشته این گروه از محققین راهی برای سنتز فسفولیپیدهائی که این لیپوزوم ها را می ساخت یافتند که در این پروژه از آن استفاده شد. اما این فسفولیپیدها کوچکتر از آن بودند که توانایی ادامه رشد داشته باشند. تحقیقات در زمینه بهینه سازی رشد این فسفولیپیدها همچنان ادامه دارد.

در سلول های پیشرفته پروتئین های اختصاصی به سلول مادری فشار می آورند تا آن را به دو سلول دختری تبدیل نمایند. محققین معتقدند فرایند ساده جوانه زدن نیز می تواند سبب چنین تقسیمی شود. از این رو آن‌ها لیپوزوم هائی را ایجاد کردندکه پس از فرایند رشد، شروع به جوانه زدن می کنند. آنان معتقدند اگر DNA به اندازه کافی تولید شود امید است که سلول های دختری اولیه به اندازه ای ژنوم جدید را داشته باشند که بتوانند جمعیت سلولی زنده ای را ایجاد نمایند.

طبق یافته های ذکرشده در این تحقیق، محققین توانستند یک سلول مصنوعی با توانایی رشد، تقسیم و ادامه حیات ایجاد نمایند و گام مهمی در جهت کشف عملکرد ذاتی یک سلول بردارند. تحقیقات تکمیلی در این زمینه می تواند منجر به پیشرفت های شگرفی در حوزه بیوتکنولوژی، سلامت و انرژی ایجاد نماید.

ساخت پروتئین‌های جدید با دی‌ان‌ای مصنوعی

پژوهشگران از یک سیستم دی‌ان‌ای مصنوعی به نام AEGIS برای طراحی دو نوکلئوتید مصنوعی استفاده کردند که از هندسه نوکلئوتیدهای طبیعی به شکلی بی‌نقص تقلید می‌کنند.

به گزارش ایسنا و به نقل از آی‌ای، دی‌ان‌ای، مولکولی که اطلاعات ژنتیکی همه موجودات زنده را ذخیره می‌کند، تنها از چهار حرف شیمیایی یا نوکلئوتید تشکیل شده است. اما اگر بتوانیم حروف بیشتری به این الفبا اضافه کنیم و انواع جدیدی از دی‌ان‌ای ایجاد کنیم، چه؟

این کاری است که تیمی از محققان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، بنیاد تکامل مولکولی کاربردی و موسسه مطالعات بیولوژیکی سالک(Salk) انجام داده‌اند. آنها نسخه جدیدی از دی‌ان‌ای را با شش حرف به جای چهار حرف ابداع کرده‌اند که نشان می‌دهد می‌توان از آن برای ساخت پروتئین‌ها که بلوک‌های سازنده حیات هستند، استفاده کرد.

این شاهکار که در مجله Nature Communications منتشر شده است، درهایی را به روی آینده‌ای باز می‌کند که در آن پروتئین‌های طراحی شده سفارشی و کاربردهای بیولوژیکی جدید می‌توانند به واقعیت تبدیل شوند.

چهار نوکلئوتید

دی‌ان‌ای که سنگ بنای اولیه حیات است، دستورالعمل‌های خود را تنها با استفاده از چهار نوکلئوتید موسوم به آدنین(A)، تیمین(T)، گوانین(G) و سیتوزین(C) رمزگذاری می‌کند. این نوکلئوتیدها در پیکربندی‌های خاص جفت می‌شوند و مارپیچ دوگانه نمادین دی‌ان‌ای را تشکیل می‌دهند. اما اگر بتوان این الفبا را گسترش داد چه می‌شود؟ پیامدها و کاربردهای آن از پزشکی شخصی گرفته تا مواد انقلابی، چشمگیر خواهد بود.

دکتر دونگ وانگ، استاد دانشکده داروسازی و علوم دارویی اسکاگز در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو و نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید: زندگی روی زمین به طرز شگفت‌انگیزی با تنها چهار نوکلئوتید متنوع است، بنابراین تصور کنید که ما با نوکلئوتیدهای بیشتر چه کارهایی می‌توانیم انجام دهیم.

وی افزود: ما با گسترش کد ژنتیکی می‌توانیم مولکول‌های جدیدی بسازیم که قبلاً دیده نشده‌اند و راه‌های جدیدی برای ساخت پروتئین‌ها به عنوان روش‌های درمانی کشف کنیم.

وانگ و همکارانش از یک سیستم دی‌ان‌ای مصنوعی به نام AEGIS استفاده کردند که مخفف عبارت Artificially Expanded Genetic Information System به معنای سیستم اطلاعات ژنتیکی گسترش یافته مصنوعی است.

دکتر دونگ وانگ توضیح می‌دهد که افزودن «حروف» جدید به کد ژنتیکی، دایره واژگان زندگی را گسترش می‌دهد و به ما امکان می‌دهد روایت‌های پیچیده‌تری بنویسیم. پیشرفت تیم او نشان می‌دهد که سلول‌ها می‌توانند به آسانی نوکلئوتیدهای مصنوعی را در دستور دی‌ان‌ای بگنجانند.

استفاده از AEGIS

سیستم AEGIS دو حرف جدید به الفبای استاندارد دی‌ان‌ای اضافه می کند که از آدنین(A)، تیمین(T)، گوانین(G) و سیتوزین(C) تشکیل شده است. این حروف به روش خاصی جفت می‌شوند تا ساختار دو مارپیچ دی‌ان‌ای را که توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک در سال ۱۹۵۳ کشف شد، تشکیل دهند.

حروف جدید Z و P دارای شکل و اندازه‌ای مشابه با حروف طبیعی هستند، بنابراین می‌توانند بدون ایجاد اختلال در هندسه دی‌ان‌ای، در مارپیچ آن قرار گیرند. این بدان معنی است که آنزیم‌هایی که دی‌ان‌ای را می‌خوانند و کپی می‌کنند، مانند RNA پلیمراز می‌توانند دی‌ان‌ای AEGIS را درست مانند دی‌ان‌ای طبیعی شناسایی و پردازش کنند.

RNA پلیمراز

کلید این کار در تقلید از روش طبیعت است. پژوهشگران RNA پلیمراز را شناسایی کردند که آنزیمی کلیدی است که دی‌ان‌ای را به RNA تبدیل می‌کند و سپس برای ساخت پروتئین استفاده می‌شود.

پژوهشگران دو نوکلئوتید مصنوعی طراحی کردند که به طور بی عیب و نقصی از هندسه نوکلئوتیدهای طبیعی تقلید می‌کنند. RNA پلیمراز به آسانی این اضافات جدید را هنگام آزمایش پذیرفت و به طور یکپارچه آنها را در رونویسی ادغام کرد.

پژوهشگران آزمایش کردند که آیا RNA پلیمراز باکتری می‌تواند دی‌ان‌ای AEGIS را به RNA رونویسی کند یا خیر و دریافتند که می‌تواند این کار را با دقت و کارایی بالا انجام دهد.

وانگ می‌گوید: این نشان می‌دهد که ماشین‌های بیولوژیکی چقدر قوی و سازگار هستند. حروف مصنوعی ما با تقلید از شکل طبیعی دی‌ان‌ای می‌توانند مخفیانه وارد شوند و برای ساخت پروتئین‌های جدید مورد استفاده قرار گیرند.

این پیشرفت، راه را برای احتمالات هیجان انگیز هموار می‌کند. تصور کنید پروتئین‌هایی با ویژگی‌های سفارشی طراحی شده است که قادر به هدف قرار دادن دقیق تومورها برای درمان سرطان یا مهندسی باکتری‌ها برای سنتز سوخت‌های زیستی سازگار با محیط زیست هستند.

افق‌های وسیع این پروژه فراتر از کاربردهای پزشکی و محیطی به علم مواد و حتی زیست‌شناسی مصنوعی می‌رسد. البته چالش‌ها همچنان باقی هستند. بهینه سازی ترکیب نوکلئوتیدهای جدید، اطمینان از ثبات آنها در ژنوم و رمزگشایی پتانسیل کامل این کد توسعه یافته، زمینه‌هایی برای اکتشاف بیشتر است. با این حال، پایه و اساس بازنویسی واژگان ژنتیکی بنا نهاده شده است.

این کشف نشان دهنده یک جهش مهم در درک ما از نقشه زندگی و نوید آغاز عصر جدیدی از طراحی بیولوژیکی است.

وانگ می‌گوید: این پروتئین‌های جدید می‌توانند در پزشکی، بیوتکنولوژی و مهندسی زیستی کاربرد داشته باشند.

دی ان ای مصنوعی

تولید دی­‌ان­‌ای مصنوعی!

موفقیت دانشمندان در تولید DNA مصنوعی

ساخت پروتئین‌های جدید با دی‌ان‌ای مصنوعی

تولید دی‌ان‌ای مصنوعی!