علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
MIT Researchers Devised a Way To Program Memories Into Bacterial Cells by Rewriting Their DNA
(بقلم: آن ترافتون ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
يمكن لتقنية تحرير الجينوم البكتيري أن تسجل التفاعلات بين الخلايا ، وقد توفر طريقة لتحرير الجينات في الميكروبيوم البشري.
ابتكر المهندسون البيولوجيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة جديدة لتعديل الجينوم البكتيري بكفاءة وبرمجة الذكريات في خلايا بكتيرية عن طريق إعادة كتابة الحمض النووي الخاص بها. باستخدام هذا النهج ، يمكن تخزين أشكال مختلفة من المعلومات المكانية والزمانية بشكل دائم لأجيال واسترجاعها عن طريق تسلسل الحمض النووي للخلايا.
تقنية كتابة الحمض النووي الجديدة ، التي يسميها الباحثون (HiSCRIBE) ، أكثر كفاءة بكثير من الأنظمة المطورة سابقًا لتعديل الحمض النووي للبكتيريا ، والتي حققت معدل نجاح واحد فقط من كل 10000 خلية لكل جيل. في دراسة جديدة ، أوضح الباحثون أنه يمكن استخدام هذا النهج لتخزين ذاكرة التفاعلات الخلوية أو الموقع المكاني.
يقول الباحثون إن هذه التقنية يمكن أيضًا أن تجعل من الممكن تعديل الجينات أو تنشيطها أو إسكاتها بشكل انتقائي في أنواع معينة من البكتيريا التي تعيش في مجتمع طبيعي مثل الميكروبيوم البشري.
يقول فهيم فرزادفارد ، باحث ما بعد الدكتوراة السابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: “من خلال نظام كتابة الحمض النووي الجديد هذا ، يمكننا تعديل الجينوم البكتيري بدقة وكفاءة دون الحاجة إلى أي شكل من أشكال الانتقاء ، ضمن النظم البيئية البكتيرية المعقدة”. “هذا يمكننا من إجراء تحرير الجينوم وكتابة الحمض النووي خارج إعدادات المختبر ، سواء لهندسة البكتيريا ، أو تحسين السمات ذات الأهمية في الموقع ، أو دراسة الديناميكيات والتفاعلات التطورية في التجمعات البكتيرية”.
تيموثي لو ، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر والهندسة البيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، هو المؤلف الرئيسي للدراسة التي نُشرت في 5 أغسطس 2021 في (Cell Systems). نافا غراي ، طالبة دراسات عليا سابقة في جامعة هارفارد ، وروبرت سيتوريك ، طالب دراسات عليا سابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، هم أيضًا مؤلفو الدراسة.
كتابة الجينوم وتسجيل الذكريات
لعدة سنوات ، كان مختبر لو يعمل على طرق استخدام الحمض النووي لتخزين المعلومات مثل ذاكرة الأحداث الخلوية. في عام 2014 ، طور هو وفرزادفارد طريقة لتوظيف البكتيريا كـ “مسجل شريط جينومي” ، وهندسة الإشريكية القولونية لتخزين الذكريات طويلة المدى للأحداث مثل التعرض للمواد الكيميائية.
لتحقيق ذلك ، صمم الباحثون الخلايا لإنتاج إنزيم النسخ العكسي المسمى (retron) ، والذي ينتج (DNA) أحادي السلسلة (ssDNA) عند التعبير عنه في الخلايا ، وإنزيم (recombinase) ، والذي يمكنه إدخال (“كتابة”) تسلسل معين من الحمض النووي أحادي الجديلة في موقع مستهدف في الجينوم. يتم إنتاج هذا الحمض النووي فقط عند تنشيطه من خلال وجود جزيء محدد مسبقًا أو نوع آخر من المدخلات ، مثل الضوء. بعد إنتاج الحمض النووي ، يُدخل إنزيم (recombinase) الحمض النووي في موقع مبرمج مسبقًا ، والذي يمكن أن يكون في أي مكان في الجينوم.
هذه التقنية ، التي أطلق عليها الباحثون اسم (SCRIBE) ، كانت ذات كفاءة كتابة منخفضة نسبيًا. في كل جيل ، من بين 10000 خلية من خلايا الإشريكية القولونية ، يمكن لخلية واحدة فقط الحصول على الحمض النووي الجديد الذي حاول الباحثون دمجه في الخلايا. ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الإشريكية القولونية تمتلك آليات خلوية تمنع تراكم الحمض النووي أحادي السلسلة ودمجها في جينوماتها.
في الدراسة الجديدة ، حاول الباحثون تعزيز كفاءة العملية من خلال القضاء على بعض آليات دفاع الإشريكية القولونية ضد الحمض النووي أحادي السلسلة. أولاً ، قاموا بتعطيل إنزيمات تسمى نوكليازات خارجية ، والتي تعمل على تكسير الحمض النووي أحادي الجديلة. كما قاموا أيضًا بإقصاء الجينات المشاركة في نظام يسمى إصلاح عدم التطابق ، والذي يمنع عادةً دمج الحمض النووي أحادي السلسلة في الجينوم.
مع هذه التعديلات ، تمكن الباحثون من تحقيق دمج شبه عالمي للتغيرات الجينية التي حاولوا إدخالها ، وخلق طريقة فعالة لا مثيل لها لتحرير الجينوم البكتيري دون الحاجة إلى الاختيار.
يقول (Farzadfard): “بسبب هذا التحسين ، تمكنا من القيام ببعض التطبيقات التي لم نتمكن من القيام بها مع الجيل السابق من (SCRIBE) أو مع تقنيات كتابة الحمض النووي الأخرى”.
التفاعلات الخلوية
في دراستهم لعام 2014 ، أظهر الباحثون أنه يمكنهم استخدام (SCRIBE) لتسجيل مدة وشدة التعرض لجزيء معين. باستخدام نظام (HiSCRIBE) الجديد ، يمكنهم تتبع هذه الأنواع من التعرض بالإضافة إلى أنواع إضافية من الأحداث ، مثل التفاعلات بين الخلايا.
على سبيل المثال ، أظهر الباحثون أنه يمكنهم تتبع عملية تسمى الاقتران البكتيري ، والتي تقوم خلالها البكتيريا بتبادل قطع من الحمض النووي. من خلال دمج “رمز شريطي” للحمض النووي في جينوم كل خلية ، والذي يمكن بعد ذلك تبادله مع الخلايا الأخرى ، يمكن للباحثين تحديد الخلايا التي تفاعلت مع بعضها البعض عن طريق تسلسل الحمض النووي الخاص بها لمعرفة الرموز الشريطية التي تحملها.
يمكن أن يساعد هذا النوع من رسم الخرائط الباحثين في دراسة كيفية تواصل البكتيريا مع بعضها البعض ضمن مجاميع مثل الأغشية الحيوية. يقول فارزادفارد إنه إذا أمكن نشر نهج مماثل في خلايا الثدييات ، فيمكن استخدامه يومًا ما لرسم خريطة للتفاعلات بين أنواع أخرى من الخلايا مثل الخلايا العصبية. يمكن برمجة الفيروسات التي يمكنها عبور المشابك العصبية لحمل أكواد الحمض النووي الشريطية التي يمكن للباحثين استخدامها لتتبع الروابط بين الخلايا العصبية ، مما يوفر طريقة جديدة للمساعدة في رسم خريطة للشبكة العصبية للدماغ.
يقول (Farzadfard): “نحن نستخدم الحمض النووي كآلية لتسجيل المعلومات المكانية حول تفاعل الخلايا البكتيرية ، وربما في المستقبل ، الخلايا العصبية التي تم تمييزها”.
أظهر الباحثون أيضًا أنه يمكنهم استخدام هذه التقنية لتعديل جينوم نوع واحد من البكتيريا على وجه التحديد داخل مجتمع من العديد من الأنواع. في هذه الحالة ، أدخلوا الجين الخاص بالإنزيم الذي يكسر الجالاكتوز إلى خلايا الإشريكية القولونية التي تنمو في مزرعة مع عدة أنواع أخرى من البكتيريا.
يقول الباحثون إن هذا النوع من التحرير الانتقائي للأنواع يمكن أن يوفر طريقة جديدة لجعل البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية أكثر عرضة للأدوية الموجودة عن طريق إسكات جينات المقاومة الخاصة بها. ومع ذلك ، فإن مثل هذه العلاجات قد تتطلب على الأرجح عدة سنوات أخرى من البحث لتطويرها ، كما يقولون.
أظهر الباحثون أيضًا أنه يمكنهم استخدام هذه التقنية لهندسة نظام بيئي اصطناعي مكون من البكتيريا والعاثيات التي يمكنها باستمرار إعادة كتابة أجزاء معينة من جينومها وتتطور بشكل مستقل بمعدل أعلى مما يمكن أن يكون ممكنًا بالتطور الطبيعي. في هذه الحالة ، تمكنوا من تحسين قدرة الخلايا على استهلاك استهلاك اللاكتوز.
يقول فارزادفارد: “يمكن استخدام هذا النهج في الهندسة التطورية للسمات الخلوية ، أو في دراسات التطور التجريبية من خلال السماح لك بإعادة عرض شريط التطور مرارًا وتكرارًا”.
المرجع: “كتابة فعالة للحمض النووي بوساطة العناصر الرجعية في البكتيريا” بقلم: فهيم فرزادفارد ونافا غراي وروبرت جيه سيتوريك وتيموثي ك.لو ، 5 أغسطس 2021 ، أنظمة الخلية.
DOI: 10.1016 / j.cels.2021.07.001
تم تمويل البحث من قبل المعاهد الوطنية للصحة ، ومكتب البحوث البحرية ، ومؤسسة العلوم الوطنية ، ووكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة ، ومركز (MIT) للمعلوماتية وعلاجات الميكروبيوم ، وجائزة NSF للبعثات في برنامج الحوسبة ، و (Schmidt Science) برنامج الزملاء.
المصدر:
