زیست شناسی مصنوعی

زیست شناسی مصنوعی

زیست شناسی مصنوعی یک حوزه میان رشته­ای جدید است که کاربرد اصول مهندسی در زیست شناسی را شامل می­شود. هدف آن طراحی مجدد و ساخت اجزا و سیستم‌های بیولوژیکی است که پیش از این هم در جهان طبیعی وجود نداشتند. زیست شناسی مصنوعی، سنتز شیمیایی DNA را با دانش رو به رشد ژنومیک ترکیب نموده تا محققان بتوانند به سرعت توالی های DNA مورد نظر را بسازند و آن­ها را در ژنوم­های جدید تجمیع کنند.

بهبود در سرعت و هزینه سنتز DNA، دانشمندان را قادر می‌سازد تا کروموزوم‌های باکتریایی اصلاح‌ شده­ای را طراحی و سنتز کنند که در تولید سوخت‌های زیستی پیشرفته، محصولات زیستی، مواد شیمیایی تجدیدپذیر، مواد شیمیایی تخصصی مبتنی بر زیست (واسطه‌های دارویی، مواد شیمیایی مرغوب، مواد غذایی) و در بخش مراقبت­های بهداشتی کاربرد دارند.

تفاوت بین زیست شناسی سامانه­­ای و مصنوعی چیست؟
زیست‌شناسی سامانه­ای، سیستم‌های بیولوژیکی طبیعی پیچیده را به صورت یکپارچه، با استفاده از ابزارهای مدل‌سازی، شبیه‌سازی و مقایسه برای آزمایش مطالعه می­کند در حالیکه زیست شناسی مصنوعی، نحوه ساختن سیستم های بیولوژیکی مصنوعی را با استفاده از بسیاری از ابزارها و تکنیک­های تجربی مطالعه می کند.
هدف زیست شناسی مصنوعی، الهام گرفتن از سیستم‌های بیولوژیکی طبیعی، توصیف، ساده‌سازی و به کارگیری آن­ها به عنوان اجزای یک سیستم بیولوژیکی مهندسی شده است.

مهندسی ژنتیک معمولاً شامل انتقال ژن­های فردی از یک میکروب یا سلول به میکروبی دیگر است؛ زیست شناسی مصنوعی، ترکیب ژنوم­های میکروبی جدید را از مجموعه­ای از بخش­های ژنتیکی استاندارد شده در نظر می­گیرد که سپس به یک میکروب یا سلول وارد می­شود.

اهداف زیست شناسی مصنوعی
محققانی که در زمینه زیست شناسی مصنوعی کار می­کنند، در حال تلاش در موارد زیر هستند:

• طبقه بندی قطعات بیولوژیکی: شناسایی و فهرست نویسی بخش‌های ژنومی طبقه بندی شده­ که می‌توان از آن­ها برای ساخت سیستم‌های بیولوژیکی جدید استفاده نمود (به سرعت سنتز کرد).
• طراحی کاربردی پروتئین: طراحی مجدد قطعات بیولوژیکی موجود و گسترش مجموعه عملکردهای پروتئین طبیعی برای فرآیندهای جدید.
• سنتز محصولات طبیعی: مهندسی میکروب­ها برای تولید آنزیم­ و عملکردهای بیولوژیکی لازم جهت تولید چند مرحله­ای محصولات طبیعی پیچیده.
• ژنومیک مصنوعی: طراحی و ساخت یک ژنوم «ساده» برای یک باکتری طبیعی.

بیوتکنولوژی صنعتی چگونه در این حوزه قرار می­گیرد؟
بیوتکنولوژی صنعتی ابزارهایی را برای تقویت مکانیسم‌های طبیعی فرآیندهای بیولوژیکی به منظور تولید موثر آنزیم‌ها، مواد شیمیایی، پلیمرها یا حتی محصولات روزمره مانند ویتامین‌ها و سوخت فراهم می‌کند. دانشمندان ژنوم میکروب‌ها را جهت شناسایی فرآیندهای بیولوژیکی به عنوان جایگزین واکنش‌های شیمیایی در تولید محصولات جدید، عملیات تولید پاک‌تر و کاهش تعداد مراحل تولید، مطالعه کرده‌اند.

به عنوان مثال، شرکت‌های بیوتکنولوژی صنعتی می‌توانند با بهره گیری از قدرت طبیعی آنزیم‌ها یا سیستم‌های کامل سلولی و استفاده از قندها به‌عنوان ماده اولیه برای تولید محصول و همکاری با طبیعت از اقتصاد مبتنی بر نفت به یک «اقتصاد مبتنی بر زیست» تغییر کنیم.

نوآوری‌های بیوتکنولوژی صنعتی اکنون با موفقیت با فرآیندهای تولید سنتی پتروشیمی رقابت کرده و جایگزین آن شده‌اند. شرکت‌هایی که از بیوتکنولوژی صنعتی استفاده می‌کنند در می یابند که بدین طریق می‌توانند هزینه‌ها و آلودگی­ها را کاهش و سودآوری را افزایش دهند.

دانشمندان و شرکت‌های بیوتکنولوژی صنعتی سال‌ها از اشکال مختلف زیست‌شناسی مصنوعی از جمله پیرایش ژن، مهندسی متابولیک و تکامل هدایت‌شده استفاده می‌کنند. میکروارگانیسم‌های مهندسی شده در مخزن‌های تخمیر بسته برای تولید محصولات نهایی مورد نظر استفاده می‌شوند. میکروب های تقویت شده ژنتیکی (GEM: Genetically enhanced microbes) توسط قانون کنترل مواد سمی تنظیم می شوند.

نمونه شرکت­های زیست شناسی مصنوعی:

شرکت‌های تجاری که DNA مصنوعی (الیگونوکلئوتیدها، ژن یا ژنوم‌ها) را به کاربران می‌فروشند و شرکت‌های سنتز DNA شامل:  ATG:biosynthetis، Blue Heron Biotechnology، DNA 2.0، GENEART و Genomatica هستند.

شرکت‌های مصرف‌کننده DNA که در حال ساختن سیستم‌های بیولوژیکی جدید برای محصولات و سوخت‌های زیستی و بخش مراقبت‌های بهداشتی هستند، عبارتند از Amyris Biotechnologies، Inc.، Codexis، Genencor (بخشی از Danisco)، Life Technologies، Genomatica، Qteros، CODA Genomics، Modular Genetics. , DNA2.0, Inc., Verdezyne, DSM, Myriant, Gevo, Inc., LS9, Inc., OPX Biotechnologies, Solazyme and Synthetic Genomics, Inc.

پیشرفت­های بیوتکنولوژی صنعتی
در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ شاهد ظهور مهندسی ژنتیک برای اهداف محیطی، مانند پاکسازی زیستی بودیم بنابراین نوعی از باکتری که قادر به هضم اجزای نفتی بود توسعه یافت و در حقیقت اولین پتنت بیوتکنولوژی، مربوط به میکروارگانیسمی برای پاکسازی نشت نفت بود. در سال ۲۰۰۳ دانشمندان مؤسسه J. Craig Venter (JCVI) ) به سرپرستی دکتر اسمیت، هاچینسون و ونتر (Drs. Smith, Hutchinson and Venter) در شرایط آزمایشگاهی یک کروموزوم کاملا مصنوعی PhiX174 را تنها در ۱۴ روز ساختند و نتایج خود را در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر کردند.

در دسامبر ۲۰۰۴، جرج ام. چرچ (George M. Church) از دانشکده پزشکی هاروارد و Xiaolian Gio از دانشگاه هیوستون اعلام کردند که یک روش جدید سنتز DNA چندگانه را اختراع کرده­اند که نهایتاً هزینه سنتز DNA را به ۲۰۰۰۰ جفت باز در هر دلار کاهش می دهد.

در اوایل سال ۲۰۰۶، دکتر جی کیسلینگ (Dr. Jay Keasling)، مدیر مرکز زیست شناسی مصنوعی برکلی به همراه سه محقق در مقطع فوق دکترا، مخمری حاوی ژن­های باکتریایی و افسنطین را در یک کارخانه شیمیایی کشف و مجدداً مهندسی کردند تا پیش ساز آرتمیسینین (artemisinin) را برای استفاده به عنوان یک داروی ضد مالاریای ارزان قیمت تولید کنند.

در ژوئن ۲۰۰۷، JCVI روش‌های پیوند ژنوم را برای تبدیل یک نوع باکتری به نوع دیگری که توسط کروموزوم پیوندی دیکته شده بود، توسعه داد و نتایج خود را در مجله Science منتشر کرد.

در ژانویه ۲۰۰۸، JCVI اولین ژنوم باکتریایی مصنوعی، Mycoplasma genitalium JCVI-1.0 را ایجاد کردند که نشان دهنده بزرگترین ساختار DNA ساخته دست بشر است. پیوند، سنتز و اسمبلی ژنوم، گام‌هایی ضروری برای رسیدن به هدف نهایی یک سلول کاملاً مصنوعی و فعال هستند.

در سال ۲۰۱۰، دانشمندان مؤسسه JCVI شروع اولین شکل زندگی مصنوعی جهان را اعلام کردند. این ارگانیسم تک سلولی مبتنی بر یک باکتری موجود در طبیعت است که باعث ورم پستان در بزها می شود، اما در هسته آن یک ژنومِ کاملاً مصنوعی است که از سه ماده شیمیایی در آزمایشگاه ساخته شده است. این ارگانیسم تک سلولی دارای چهار علامت یا “واتر‌مارک” نوشته شده در DNA  است تا بتوان مصنوعی بودن آن را تشخیص داد.

۱۵ سال طول کشید تا موسسه ونتر این پروژه اولیه  خودرا تکمیل کند. بنابراین دانشمندان قبل از اینکه بتوانند تکنیک‌هایی را برای سنتز ژنوم‌های جدید در میکروب‌ها یا سلول‌ها کامل کنند، نیازمند اطلاعات تکمیل­تری هستند.

خلاصه:

زیست شناسی مصنوعی یک حوزه میان رشته­ای جدید است که کاربرد اصول مهندسی در زیست شناسی را شامل می­شود. هدف آن طراحی مجدد و ساخت اجزا و سیستم‌های بیولوژیکی است که پیش از این هم در جهان طبیعی وجود نداشتند. این علم، دانشمندان را قادر می‌سازد تا کروموزوم‌های باکتریایی اصلاح‌ شده­ای را طراحی و سنتز کنند که در تولید سوخت‌های زیستی پیشرفته، محصولات زیستی، مواد شیمیایی تجدیدپذیر، مواد شیمیایی تخصصی مبتنی بر زیست (واسطه‌های دارویی، مواد شیمیایی مرغوب، مواد غذایی) و در بخش مراقبت­های بهداشتی کاربرد دارند.

مترجم:نگارالسادات موسوی

منبع

geniranlab.ir