یک گام نزدیکتر به خلق حیات مصنوعی؛ ساخت سلولهای آزمایشگاهی با توانایی رشد و تکثیر
دانشمندان سلولهای مصنوعی بسیار سادهای ساختهاند که میتوانند در محیط آزمایشگاه رشد کنند، DNA خود را همانندسازی کنند و تقسیم شوند.منبع: https://rasanika.com
خلق حیات در آزمایشگاه سالها یکی از بلندپروازانهترین اهداف زیستشناسی بوده است. اکنون گروهی از پژوهشگران موفق شدهاند سلولهای مصنوعی بسیار سادهای بسازند که میتوانند در محیط آزمایشگاه رشد کنند، ماده ژنتیکی خود را کپی کنند و تقسیم شوند. هرچند این سلولها هنوز زنده محسوب نمیشوند، پژوهشگران میگویند این دستاورد یکی از مهمترین گامها در مسیر ساخت حیات مصنوعی از مواد غیرزنده به شمار میرود.
سلولهای مورد بحث که از ترکیبات شیمیایی و DNA ساختهشده در آزمایشگاه تشکیل شدهاند، برای نخستین بار توانستهاند چرخهای را طی کنند که از ویژگیهای اصلی سلولهای زنده است؛ یعنی رشد، همانندسازی DNA و تقسیم برای تولید نسل بعدی. به گفته پژوهشگران، این موفقیت میتواند در آینده راه را برای ساخت موجودات مصنوعی هموار کند که بتوان از آنها برای تولید دارو، مواد غذایی، سوختهای زیستی و مواد صنعتی استفاده کرد.
اهمیت پژوهش به کاربردهای صنعتی محدود نمیشود. این آزمایش میتواند به یکی از بنیادیترین پرسشهای زیستشناسی نیز کمک کند: چگونه مجموعهای از مولکولهای بیجان در نقطهای به چیزی تبدیل میشوند که آن را «حیات» مینامیم؟
تصویر با وضوح بسیار بالا از لیپوزومهای سلول مصنوعی SpudCell که ژنوم درونشان محصور شده و فرایند تولید پروتئین در آنها بهطور فعال در حال انجام است.
دکتر کیت آدامالا، زیستشناس دانشگاه مینهسوتا و سرپرست پژوهش، میگوید سلولهای ساختهشده هنوز از نظر کارایی با سلولهای طبیعی فاصله زیادی دارند، اما نشان میدهند که رفتارهایی مانند رشد و تکثیر را میتوان تنها با کنار هم قرار دادن مولکولهای مناسب بازسازی کرد.
کپی لینک
ساخت سلول از صفر، نه تغییر سلول زنده
دانشمندان سالهاست تلاش میکنند موجودات مصنوعی بسازند. در گذشته بیشتر پژوهشها بر تغییر ژنتیکی سلولهای زنده متمرکز بود؛ برای مثال در سال ۲۰۱۰ گروه کریگ ونتر ژنوم یک باکتری را بهطور مصنوعی بازسازی و درون سلول دیگری قرار داد.
این نخستین بار است که سلول مصنوعی چرخه کامل رشد، تکثیر ماده ژنتیکی و تقسیم سلولی را نشان میدهد
اما پژوهش جدید رویکرد متفاوتی دارد. در این روش، پژوهشگران از همان ابتدا سلول را از مواد غیرزنده ساختهاند تا تمام اجزای آن کاملاً شناختهشده باشد. آنها کار را با لیپوزومها آغاز کردند؛ حبابهای میکروسکوپی از جنس چربی که دیوارهای شبیه غشای سلولهای واقعی دارند. سپس مقدار کمی DNA مصنوعی را درون آنها قرار دادند تا دستورالعملهای لازم برای انجام عملکردهای پایه سلول را فراهم کند.
سلولهای مصنوعی که SpudCell نامیده میشوند، برخلاف سلولهای طبیعی توانایی تولید مواد موردنیاز خود را ندارند. آنها تنها زمانی کار میکنند که در محلولی غنی از مولکولهای زیستی قرار بگیرند. در این محیط، حبابهای کوچکتر به سلول اصلی متصل میشوند و مواد مورد نیازی مانند آنزیمها، ریبوزومها و مولکول ATP را که مهمترین حامل انرژی در سلولهای زنده است، در اختیار آنها میگذارند.
ریبوزومها کارخانههای تولید پروتئین در سلول هستند و بدون آنها ساخت پروتئین امکانپذیر نیست. پس از دریافت این مواد، DNA مصنوعی دستور ساخت پروتئینهای لازم، همانندسازی ماده ژنتیکی و در نهایت تقسیم سلول را صادر میکند.
کپی لینک
شبیهسازی انتخاب طبیعی در آزمایشگاه
پژوهشگران فقط به مشاهده رشد سلولها بسنده نکردند. آنها نسخههایی از SpudCell را با تفاوتهای ژنتیکی جزئی ساختند و نشان دادند سلولهایی که سرعت رشد بیشتری دارند، بهتدریج تعدادشان افزایش مییابد و سلولهای کندتر را کنار میزنند.
این پدیده، نمونهای ساده از اصل «بقای اصلح» است که یکی از پایههای نظریه تکامل به شمار میرود. به بیان دیگر، حتی در یک سامانه مصنوعی نیز اگر تفاوتهایی در توانایی رشد وجود داشته باشد، سلولهای موفقتر بهتدریج غالب میشوند.
سلول مصنوعی SpudCell که از ترکیبات شیمیایی غیرزنده ساخته شده و در حال تقسیم شدن است.
تام الیس، استاد زیستشناسی مصنوعی در کالج سلطنتی لندن که در پژوهش نقشی نداشته است، مطالعه را یکی از مهمترین پیشرفتهای سالهای اخیر در حوزه سلولهای مصنوعی توصیف میکند. به گفته او، ساخت چنین سلولهایی به دانشمندان کمک میکند حداقل شرایط لازم برای شکلگیری حیات را شناسایی کنند و بهتر بفهمند نخستین سلولهای زمین احتمالاً چگونه از مواد شیمیایی ساده پدید آمدهاند.
کپی لینک
هنوز با سلول زنده فاصله زیادی وجود دارد
با وجود این پیشرفت، پژوهشگران تأکید میکنند که SpudCell-ها هنوز موجود زنده نیستند. این سلولها نمیتوانند مواد اولیه خود را بسازند، سوختوساز مستقلی داشته باشند، مواد زائد را دفع یا دستگاه تولید پروتئین خود را ایجاد کنند. همچنین هنگام تقسیم، همیشه DNA را بهدرستی میان دو سلول جدید توزیع نمیکنند و معمولاً پس از چند نسل دیگر قادر به ادامه فعالیت نیستند.
به همین دلیل، سامانه ساختهشده بیشتر به نمونهای آزمایشی شباهت دارد که نشان میدهد ساخت سلولهای مصنوعی امکانپذیر است، نه اینکه دانشمندان اکنون موفق به خلق موجودی زنده شده باشند.
سلول مصنوعی ساختهشده از ترکیبات شیمیایی غیرزنده. غشای قرمزرنگ سلول با رنگ مخصوص چربیها رنگآمیزی شده است.
آدامالا و گروهی از پژوهشگران اکنون مؤسسهای به نام Biotic راهاندازی کردهاند تا دانشمندان از کشورهای مختلف روی توسعه فناوری سلولهای مصنوعی همکاری کنند.
هدف بلندمدت پروژه، ساخت بستری استاندارد برای مهندسی حیات است که پژوهشگران از آن با عنوان «سیستمعامل حیات» یاد میکنند. اگر چنین بستری در آینده توسعه یابد، پژوهشگران خواهند توانست سلولهای مصنوعی را برای انجام وظایف مشخص، از تولید داروهای پیچیده گرفته تا ساخت مواد شیمیایی ارزشمند با کمترین مصرف انرژی و آلودگی طراحی کنند.
کپی لینک
منتقدان چه میگویند
جان دوپره، فیلسوف زیستشناسی در دانشگاه اکستر، معتقد است هنوز مشخص نیست این سلولهای مصنوعی بتوانند از باکتریهای مهندسیشده که امروزه در صنایع دارویی و زیستی استفاده میشوند، عملکرد بهتری داشته باشند.
سلولها از مواد شیمیایی غیرزنده و DNA مصنوعی ساخته شدهاند و هنوز موجود زنده به شمار نمیروند
دوپره همچنین میگوید این سامانهها شاید پاسخ کاملی به پرسش «حیات چیست؟» ارائه نکنند. به باور او، یکی از ویژگیهای اساسی موجودات زنده، ارتباط دائمی آنها با دیگر موجودات و محیط اطراف است. بیشتر اشکال حیات روی زمین در شبکهای از همزیستی و تعامل با دیگر موجودات زندگی میکنند و این ویژگی در سلولهای مصنوعی فعلی هنوز وجود ندارد.
گرچه، حتی منتقدان نیز میپذیرند که این پژوهش نقطه عطف مهمی در زیستشناسی مصنوعی است؛ زیرا برای نخستین بار نشان میدهد مجموعهای از مولکولهای غیرزنده میتوانند بسیاری از رفتارهای بنیادی سلولهای زنده را بازسازی کنند.
مقاله به شکل پیشانتشار در پایگاه داده biorxiv در دسترس است.