ساخت پروتئین‌های جدید با دی‌ان‌ای مصنوعی

به گزارش 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.