چگونه سلول‌های مصنوعی تقسیم می‌شوند: نقاط عطف در خلق حیات از صفر

دهه‌هاست که زیست‌شناسان درباره مرز دقیق بین شیمی پیچیده و حیات واقعی بحث می‌کنند. در حالی که دانشمندان می‌توانند به راحتی DNA و پروتئین‌ها را به صورت مجزا سنتز کنند، ترکیب آن‌ها در یک سیستم خودپایدار که رشد کرده، تکثیر می‌شود و تقسیم می‌گردد، یکی از چالش‌های بزرگ علم مدرن باقی مانده است. تنش اصلی بر سر این بود که آیا حیات نیازمند یک پیچیدگی گریزناپذیر و کاهش‌ناپذیر است—یک «جرقه جادویی» که از میلیاردها سال تکامل به ارث رسیده—یا اینکه صرفاً یک فرآیند مکانیکی است که می‌توان آن را از پایه مهندسی کرد.[5]

اکنون این مرز به طور قطعی شکسته شده است. طی چند سال گذشته، محققان مجموعه‌ای از نقاط عطف را در زیست‌شناسی مصنوعی به دست آورده‌اند و با موفقیت سلول‌های مصنوعی‌ای را مهندسی کرده‌اند که قادر به خودتکثیری و تقسیم هستند. دانشمندان با کاهش ژنوم‌ها به حداقل مطلق و مونتاژ سلول‌ها به طور کامل از اجزای شیمیایی غیرزنده، ثابت کرده‌اند که رفتارهای بنیادی یک سلول زنده را می‌توان از ابتدا برنامه‌ریزی کرد. این پیشرفت‌ها زیست‌شناسی را از یک علم مشاهده‌ای به یک رشته مهندسی محض تبدیل می‌کنند.[1][4]

برای درک عظمت این دستاورد، مفید است که به نحوه تقسیم سلول‌های طبیعی نگاه کنیم. در یک باکتری استاندارد، تقسیم توسط یک داربست داخلی پیچیده—اسکلت سلولی (سیتواسکلتون)—هدایت می‌شود که غشای سلولی را به دو سلول دختری مجزا فشرده می‌کند. این فرآیند به ده‌ها ژن و پروتئین هماهنگ نیاز دارد که در هارمونی کامل کار می‌کنند. بازتولید این ماشین‌آلات پیچیده در یک محیط مصنوعی، یک گلوگاه بزرگ برای مهندسان زیستی بود که تلاش می‌کردند حیات را در آزمایشگاه بسازند.[1][3]

سفر به سوی تقسیم مصنوعی به طور جدی در سال ۲۰۱۰ آغاز شد، زمانی که محققان در مؤسسه جی. کریگ ونتر (JCVI) اولین سلول باکتریایی مصنوعی خودتکثیرشونده را ساختند که «JCVI-syn1.0» نام گرفت. این تیم یک کروموزوم با ۱٫۰۸ میلیون جفت باز را از مواد شیمیایی خام سنتز کرده و آن را به یک سلول گیرنده پیوند زدند. این دستاورد مهم ثابت کرد که یک ژنوم سنتز شده شیمیایی می‌تواند با موفقیت یک سلول زنده را راه‌اندازی کرده و به طور کامل کنترل کند و زمینه را برای مهندسی زیستی رادیکال‌تر فراهم ساخت.[2][6]

با این حال، «JCVI-syn1.0» اساساً یک کپی مصنوعی از یک ژنوم طبیعی موجود بود. گام بعدی یافتن حداقل مطلق کد ژنتیکی مورد نیاز برای حفظ حیات بود. در سال ۲۰۱۶، تیم JCVI ژنوم را به تنها ۴۷۳ ژن کاهش داد و یک سلول حداقلی به نام «JCVI-syn3.0» ایجاد کرد. در حالی که این سلول حداقلی می‌توانست زنده بماند و DNA خود را تکثیر کند، یک نقص عمده داشت: بدون دستورالعمل‌های ژنتیکی کامل برای تقسیم، به طور غیرعادی تولید مثل می‌کرد و به جای سلول‌های دختری یکنواخت، اشکال عجیب، نامنظم و رشته‌های بلند ایجاد می‌نمود.[1][2]

نقطه عطف در تقسیم کنترل‌شده زمانی رخ داد که محققان JCVI، NIST و MIT به طور سیستماتیک ژن‌ها را به ژنوم حداقلی بازگرداندند تا ببینند چه چیزی کم است. آن‌ها با مشاهده سلول‌ها در یک کموستات میکروفلوئیدیک—یک آکواریوم مینیاتوری برای میکروب‌ها—کشف کردند که افزودن تنها ۱۹ ژن خاص، تقسیم سلولی طبیعی و یکنواخت را بازیابی می‌کند. این گونه جدید، که «JCVI-syn3A» نام گرفت، ثابت کرد که تولید مثل آشفته سلول حداقلی را می‌توان با یک وصله ژنتیکی بسیار خاص مهار کرد.[1]

آنچه نقطه عطف «JCVI-syn3A» را به ویژه جذاب می‌کند، چیزی است که درباره جهل عمیق ما نسبت به زیست‌شناسی پایه آشکار ساخت. از هفت ژن خاص مورد نیاز برای بازیابی تقسیم طبیعی در سلول مصنوعی، دانشمندان تنها عملکرد دو ژن (ftsZ و sepF) را می‌دانند. نقش‌های بیولوژیکی پنج ژن دیگر کاملاً ناشناخته باقی مانده است. همانطور که محققان اشاره کردند، حتی در ساده‌ترین ارگانیسم مهندسی‌شده روی زمین، مکانیسم‌های بنیادی به طور کامل درک نشده‌اند، که نشان می‌دهد بخش زیادی از حیات همچنان یک «جعبه سیاه» است.[1][5]

در حالی که سلول‌های JCVI برای جای دادن ژنوم‌های مصنوعی خود به غشای فیزیکی و سیتوپلاسم یک باکتری موجود متکی بودند، هدف نهایی ساختن یک سلول به طور کامل از مواد شیمیایی غیرزنده بود. این هدف اخیراً توسط تیمی در دانشگاه مینه سوتا با پروژه‌ای که «اسپادسل» (SpudCell) نامیده می‌شود، محقق شد. «اسپادسل» که از پایه ساخته شده است، اولین سلول مصنوعی است که به طور کامل از اجزای شیمیایی غیرزنده ساخته شده و یک چرخه حیات کامل را به پایان می‌رساند.[4]

سیستم «اسپادسل» از ۳۶ آنزیم خالص‌شده، یک ژنوم کوچک ۹۰ هزار جفت بازی که در چندین پلاسمید DNA تقسیم شده است، و یک غشای لیپیدی مصنوعی مونتاژ شده است. این سلول مطلقاً فاقد هرگونه ماده زنده یا داربست سلولی از پیش موجود است. با این حال، هنگامی که در محیط شیمیایی مناسب قرار می‌گیرد، می‌تواند تغذیه کند، رشد کند، DNA خود را تکثیر کند و در طول چندین نسل تقسیم شود و دستورالعمل‌های اصلی بقا را که توسط سازندگانش برنامه‌ریزی شده، اجرا نماید.[4]

برای حل مشکل تقسیم بدون اتکا به یک اسکلت سلولی پیچیده، تیم «اسپادسل» یک راه‌حل مکانیکی هوشمندانه مهندسی کرد. آن‌ها پروتئین‌های خاصی را طراحی کردند که روی سطح غشای لیپیدی مصنوعی جمع می‌شوند. با تجمع این پروتئین‌ها، تنش مکانیکی شدیدی ایجاد می‌کنند که در نهایت غشا را مجبور به دو نیم شدن می‌کند. این فرآیند تقسیم سلولی طبیعی را از طریق فیزیک محض و کشش سطحی، به جای داربست بیولوژیکی، شبیه‌سازی می‌کند.[4][5]

«اسپادسل» همچنین یکی دیگر از ویژگی‌های بارز حیات را نشان داد: تکامل داروین. محققان یک گونه ژنتیکی را به جمعیت مصنوعی وارد کردند که پروتئین‌های محرک تقسیم بیشتری تولید می‌کرد. در طول پنج نسل، این گونه با رشد سریع‌تر با موفقیت از طرح اصلی پیشی گرفت. در شرایط کمبود مواد مغذی، مزیت سلول جهش‌یافته افزایش یافت و ثابت کرد که انتخاب طبیعی و رقابت می‌توانند در یک سیستم کاملاً مصنوعی و تعریف‌شده شیمیایی عمل کنند.[4][5]

با وجود این جهش‌های بزرگ، شواهد به وضوح نشان می‌دهد که علم هنوز حیات مصنوعی کاملاً مستقل ایجاد نکرده است. به عنوان مثال، «اسپادسل» نمی‌تواند به تنهایی در طبیعت زنده بماند. برای عملکرد، به تأمین مداوم و با دقت مدیریت‌شده مواد مغذی و ریبوزوم‌های خارجی—ماشین‌های مولکولی سازنده پروتئین—که توسط آزمایشگاه فراهم می‌شوند، نیاز دارد. حتی با این پشتیبانی، سیستم در حال حاضر پس از چند چرخه تقسیم از کار می‌افتد، که شکنندگی حیات مصنوعی را برجسته می‌کند.[4][5]

توانایی مهندسی سلول‌های مصنوعی تقسیم‌شونده بسیار فراتر از یک تمرین آکادمیک است. مهندسی زیستی سنتی متکی بر استفاده از سلول‌های طبیعی است که محدودیت‌هایی را در تولید ایجاد کرده و نیازمند هزینه‌های انرژی زیادی است. یک سلول مصنوعی کاملاً قابل برنامه‌ریزی می‌تواند به عنوان یک کارخانه میکروسکوپی عمل کند که به صورت سفارشی برای تولید داروهای پیچیده، مصرف آلاینده‌های محیطی، یا تولید مواد پایدار با دقت و کارایی بی‌سابقه طراحی شده است.[3][4]

محققان با درک قدرت عظیم و خطرات بالقوه این فناوری، در حال تلاش برای ایجاد یک زیرساخت منبع باز (Open-Source) هستند. ابتکاراتی مانند سازمان تازه تأسیس «بیوتیک» (Biotic) با هدف به اشتراک گذاشتن پروتکل‌ها و استانداردهای فنی مهندسی سلول مصنوعی در سطح جهانی فعالیت می‌کنند. محققان امیدوارند با باز نگه داشتن ابزارهای بنیادی حیات مصنوعی برای جامعه علمی گسترده‌تر، از حبس شدن این فناوری در پشت پتنت‌های شرکتی جلوگیری کرده و در عین حال استانداردهای ایمنی سخت‌گیرانه‌ای را ایجاد نمایند.[4][5]

همانطور که دانشمندان به رمزگشایی ژن‌های مرموز باقی‌مانده ادامه می‌دهند و ثبات غشاهای مصنوعی را بهبود می‌بخشند، مرز بین شیمی و زیست‌شناسی همچنان محوتر خواهد شد. ما به سرعت از دوران کشف نحوه عملکرد حیات طبیعی به دورانی حرکت می‌کنیم که در آن قوانین حیات را از ابتدا می‌نویسیم. نقاط عطف «JCVI-syn3A» و «اسپادسل» ثابت می‌کنند که ماشین‌آلات حیات جادو نیستند—بلکه یک کد بسیار پیچیده هستند که ما بالاخره در حال یادگیری نحوه نوشتن آن هستیم.[3][5]