علم الأحياء الاصطناعية يُمكِّن الميكروبات من بناء العضلات – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Synthetic biology enables microbes to build muscle
(Washington University in St. Louis – مقدمة من جامعة واشنطن في سانت لويس)

ملخص المقالة:

طور باحثو في جامعة واشنطن في سانت لويس نهجًا كيميائيًا اصطناعيًا لبلمرة البروتينات داخل الميكروبات المهندسة، ما مكن من إنتاج بروتين عضلي عالي الوزن الجزيئي، تيتين (titin)، والذي غُزِل إلى ألياف، ويمكن أن يكون إنتاجه رخيصًا وقابلًا للتطوير، وقد يتيح العديد من التطبيقات التي فُكِّر بها سابقًا، مثل الروبوتات اللينة والخيوط الجراحية وهندسة الأسرة وما الى ذلك.

( المقالة )

هل سترتدي ملابس مصنوعة من ألياف العضلات؟ هل استخدمتها لربط حذائك أو حتى ارتديتها كحزام؟ قد يبدو الأمر غريباً بعض الشيء، ولكن إذا كانت هذه الألياف تتحمل طاقة أكبر قبل أن تنكسر أكثر من القطن أو الحرير أو النايلون أو حتى الكيفلار (ألياف صناعية قوية ومقاومة للحرارة)، فلما لا؟ لا تقلق ، يمكن إنتاج هذه العضلة دون الإضرار بحيوان واحد.

طور باحثون في كلية ماك كيلڤي للهندسة بجامعة واشنطن في سانت لويس نهجًا كيميائيًا اصطناعية لبلمرة البروتينات داخل الميكروبات المهندسة. ومكن هذا الميكروبات من إنتاج بروتين عضلي عالي الوزن الجزيئي، تيتين (titin)، والذي تم بعد ذلك غزله إلى ألياف. وقد نُشر بحثهم الاثنين 30 أغسطس في مجلة “اتصالات الطبيعة” (Nature Communications).

وأيضًا: “يمكن أن يكون إنتاجه رخيصًا وقابلًا للتطوير. وقد يتيح العديد من التطبيقات التي كان الناس قد فكروا بها سابقًا، ولكن باستخدام ألياف عضلية طبيعية”، كما قال فوزهونغ زهانغ، الأستاذ في قسم الطاقة والبيئة والهندسة الكيميائية. والآن، قد تؤتي هذه التطبيقات ثمارها دون الحاجة إلى أنسجة حيوانية فعلية.

وبروتين العضلات الاصطناعية المنتج في مختبر زهانغ هو “تيتين” (titin) ، وهو أحد مكونات البروتين الرئيسية الثلاثة في أنسجة العضلات. ومن الأهمية بمكان لخصائصه الميكانيكية الحجمُ الجزيئي الكبير للتيتين. وقال كاميرون سارجنت: “إنه أكبر بروتين معروف في الطبيعة”. سيرجنت هو طالب دكتوراه في قسم العلوم البيولوجية والطبية الحيوية ومؤلف أول للورقة مع كريستوفر بوين الحاصل على درجة دكتوراه حديثًا من قسم الطاقة والبيئة والهندسة الكيميائية.

وقال زهانغ إن ألياف العضلات كانت موضع اهتمام لفترة طويلة. ويحاول الباحثون تصميم مواد ذات خصائص مماثلة للعضلات لتطبيقات مختلفة، مثل الروبوتات اللينة. وقال: “تساءلنا لماذا لا نصنع فقط عضلات اصطناعية مباشرة؟”. وتابع: “لكننا لن نحصدها من الحيوانات، سنستخدم الميكروبات للقيام بذلك”.

وللتحايل على بعض المشكلات التي تمنع البكتيريا عادةً من إنتاج بروتينات كبيرة، قام فريق البحث بهندسة البكتيريا لتجميع أجزاء أصغر من البروتين في بوليمرات ذات وزن جزيئي عالي جدًا بحجم 2 ميغا دالتون [١] – حوالي 50 ضعف حجم متوسط البروتين البكتيري. ثم استخدموا عملية الغزل الرطب لتحويل البروتينات إلى ألياف يبلغ قطرها حوالي عشرة ميكرونات، أو عُشر سماكة شعر الإنسان.

ومن خلال العمل مع المتعاونين يونغ شين جون، الأستاذ في قسم الطاقة والهندسة البيئية والكيميائية ، وسنان كيتين، الأستاذ في قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة نورث وسترن، قامت المجموعة بعد ذلك بتحليل بنية هذه الألياف لتحديد الآليات الجزيئية التي تمكن مزيجها الفريد من المتانة والقوة وقدرة التخميد الاستثنائية، أو القدرة على تبديد الطاقة الميكانيكية كحرارة.

وبصرف النظر عن الملابس الفاخرة أو الدروع الواقية (مرة أخرى، الألياف أقوى من مادة الكيفلار، المادة المستخدمة في السترات الواقية من الرصاص)، أشار سارجنت إلى أن هذه المادة لها العديد من التطبيقات الطبية الحيوية المحتملة أيضًا. ونظرًا لأنها متطابقة تقريبًا مع البروتينات الموجودة في الأنسجة العضلية، فمن المفترض أن تكون هذه المادة الاصطناعية متوافقة حيوياً وبالتالي يمكن أن تكون مادة رائعة للخيوط الجراحية وهندسة الأنسجة وما إلى ذلك.

ولا ينوي فريق زهانغ للبحث التوقف عن استخدام ألياف العضلات الاصطناعية. ومن المحتمل أن يحمل المستقبل المزيد من المواد الفريدة التي تم تمكينها من خلال إستراتيجية التوليف الميكروبي. وقام بوين وكاميرون وزهانج بتقديم طلب براءة اختراع بناءً على البحث.

وقال سارجنت: “يكمن جمال النظام في أنه حقًا منصة يمكن تطبيقها في أي مكان. يمكننا أن نأخذ بروتينات من سياقات طبيعية مختلفة، ثم نضعها في منصة البلمرة هذه ونصنع بروتينات أكبر وأطول لتطبيقات المواد المختلفة مع استدامة أكبر”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

 https://phys.org/news/2021-08-synthetic-biology-enables-microbes-muscle.html

لمزيد من المعلومات: Microbial production of megadalton titin yields fibers with advantageous mechanical properties, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25360-6

الهوامش:

[١] الدالتون، المعروف أيضًا باسم وحدة الكتلة الذرية، هو وحدة كتلة تساوي واحدًا على اثني عشر من كتلة ذرة كربون -12 حرة عند السكون. قيمته1.660 x 10⁻²⁷ كجم تقريبًا.