الجينوميات الاصطناعية

الجينوميات الاصطناعية هي حقل ناشئ من البيولوجيا الاصطناعية يستخدم جوانب من التعديل الجيني على أشكال الحياة الموجودة مسبقًا، أو من التخليق الجيني الاصطناعي لإنشاء حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين جديد أو أشكال حياة كاملة.

 نظرة عامة 
تختلف الجينوميات الاصطناعية عن التعديل الجيني من حيث أنها لا تستخدم الجينات الموجودة طبيعيًا في كائناتها. قد تستخدم سلاسل أزواج قاعدية مصممة خصيصًا، على الرغم من أنه بمعنى أوسع وغير محقق حاليًا، يمكن للجينوميات الاصطناعية أن تستخدم رموزًا وراثية لا تتكون من زوجي القواعد فيحمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين اللذين تستخدمهما الحياة حاليًا.

يرتبط تطور الجينوميات الاصطناعية بقدرات وتقنيات تقنية حديثة معينة في مجال الوراثة. لقد سمحت القدرة على بناء سلاسل طويلة من الأزواج القاعدية بثمن ربح وعلى نطاق واسع للباحثين بإجراء تجارب على جينومات غير موجودة في الطبيعة. مقترنة بالتطورات في نماذج طي البروتين وانخفاض التكاليف الحسابية، بدأ مجال الجينوميات الاصطناعية يدخل مرحلة منتجة من الحيوية.

 تقنية الحمض النووي المؤتلف 
بعد وقت قصير من اكتشاف إنزيمات اقتطاع النهايات والليغازات، بدأ مجال الوراثة في استخدام هذه الأدوات الجزيئية لتجميع تسلسلات اصطناعية من أجزاء أصغر من الحمض النووي الاصطناعي أو الطبيعي. تكمن الميزة في استخدام النهج التأليفي بدلاً من التخليق المستمر للحمض النووي في العلاقة العكسية الموجودة بين طول الحمض النووي الاصطناعي ونسبة نقاء ذلك الطول الاصطناعي. بمعنى آخر، كلما قمت بتخليق تسلسلات أطول، زاد عدد المستنسخات التي تحتوي على أخطاء بسبب معدلات الخطأ المتأصلة في التقنيات الحالية. على الرغم من أن تقنية الحمض النووي المؤتلف تُستخدم بشكل أكثر شيوعًا في بناء البروتينات الاندماجية والبلازميدات، فقد ظهرت عدة تقنيات ذات سعات أكبر، مما يسمح ببناء جينومات كاملة.

 تجميع البوليميراز المتسلسل 
تصغير|تجميع البوليميراز المتسلسل. تمثل الأسهم الزرقاء قليلات النوكليوتيد بطول 40 إلى 60 نقطة أساس مع مناطق متداخلة بحوالي 20 نقطة أساس. تتكرر الدورة حتى يتم بناء الجينوم النهائي.
يستخدم تجميع البوليميراز المتسلسل سلسلة من قليلات النوكليوتيد أو أوليغوز، يبلغ طولها حوالي 40 إلى 60 نوكليوتيد، تشكل مجتمعة كلا الشريطين للحمض النووي الذي يتم تخليقه. تم تصميم هذه القليلات بحيث يحتوي أوليغوز واحد من شريط واحد على طول يبلغ حوالي 20 نوكليوتيد في كل طرف وهو مكمل لتسلسلات قليلتين مختلفتين على الشريط المقابل، مما يخلق مناطق تداخل. يتم معالجة المجموعة بأكملها من خلال دورات من: (أ) التهجين عند 60 درجة مئوية؛ (ب) الاستطالة عبر بوليميراز التاق وليغاز قياسي؛ و (ج) إزالة الطبيعة عند 95 درجة مئوية، مما يشكل خيوطًا مستمرة أطول تدريجيًا وينتهي بالحصول على الجينوم النهائي. استخدم تجميع البوليميراز المتسلسل لتوليد أول جينوم اصطناعي في التاريخ، لجينوم فيروس ΦX 174.
 طريقة تجميع جيبسون 
تصغير|طريقة تجميع جيبسون. تمثل الأسهم الزرقاء كاسيتات DNA مزدوجة الشريطة، والتي يمكن أن تكون بأي حجم، 6 كيلوباز لكل منها على سبيل المثال. تمثل الأجزاء البرتقالية مناطقًا من تسلسلات DNA متطابقة. يمكن تنفيذ هذه العملية باستخدام كاسيتات أولية متعددة.
تتطلب طريقة تجميع جيبسون، التي صممها دانيال جيبسون خلال فترة عمله في معهد كريغ فينتر، مجموعة من كاسيتات حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين مزدوجة الشريطة التي تشكل الجينوم الكامل الذي يتم تخليقه. لاحظ أن الكاسيتات تختلف عن القِطْع الجينومية بحكم التعريف، حيث تحتوي هذه التسلسلات على مناطق تماثل مع كاسيتات أخرى لأغراض إعادة التركيب المتماثل. على عكس تجميع البوليميراز المتسلسل، فإن تجميع جيبسون هو تفاعل أحادي الخطوة ومتساوي الحرارة ذو سعة أكبر لطول التسلسل؛ وبالتالي، يتم استخدامه بدلاً من تجميع البوليميراز المتسلسل للجينومات الأكبر من 6 كيلوباز.

يقوم النوكلياز الخارجي T5 برد فعل مضغ في الأجزاء الطرفية، يعمل في الاتجاه من 5' إلى 3'، مما ينتج عنه نهايات متدلية مكملة. تتهجن النهايات المتدالية مع بعضها البعض، ويملأ بوليميراز الدنا فوشن أي نيوكليوتيدات مفقودة ويتم إغلاق الشقوق بواسطة ليغاز. ومع ذلك، فإن الجينومات القادرة على التخليق باستخدام هذه الطريقة وحدها محدودة لأنه مع زيادة طول كاسيتات حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين، فإنها تتطلب التكاثر في المختبر من أجل مواصلة التهجين؛ وفقًا لذلك، غالبًا ما يتم استخدام تجميع جيبسون بالتزامن مع إعادة التركيب المرتبط بالتحول (انظر أدناه) لتخليق جينومات يبلغ حجمها عدة مئات من الكيلوبازات.

 إعادة التركيب المرتبط بالتحول 
تصغير|استنسال إصلاح الفجوة. تمثل الأسهم الزرقاء قطع جينومية. تمثل الأجزاء من نفس اللون تسلسلات متكاملة أو متطابقة. يتم استخدام بادئات متخصصة مع امتدادات في تفاعل البوليميراز المتسلسل لتوليد مناطق تماثل في النهايات الطرفية للقطع الجينومية.
الهدف من تقنية إعادة التركيب المرتبط بالتحول في الجينوميات الاصطناعية هو دمج القطع الجينومية لـ حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين عن طريق إعادة التركيب المتماثل الذي يقوم به كروموسوم الخميرة الاصطناعي . ذو الأهمية هو عنصر سي اي ان داخل ناقل ياك، الذي يتوافق مع القسيم المركزي للخميرة. يعطي هذا التسلسل للناقل القدرة على التصرف بطريقة كروموسومية، مما يسمح له بإجراء إعادة التركيب المتماثل.
تصغير|إعادة التركيب المرتبط بالتحول. تحدث أحداث العبور بين مناطق التماثل عبر الكاسيتات وناقل YAC، مما يربط تسلسلات DNA الأصغر في قطعة جينومية واحدة أكبر.
أولاً، يتم إجراء استنسال إصلاح الفجوة لتوليد مناطق تماثل تحيط بالقطع الجينومية لـ حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين. استنسال إصلاح الفجوة هو شكل خاص من تفاعل البوليميراز المتسلسل يتم فيه استخدام بادئات متخصصة ذات امتدادات تتجاوز تسلسل الهدف حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين. ثم، تتعرض كاسيتات حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين لناقل ياك، الذي يقود عملية إعادة التركيب المتماثل، مما يربط كاسيتات حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين ببعضها البعض. تم استخدام تجميع البوليميراز المتسلسل وتقنية إعادة التركيب المرتبط بالتحول معًا لبناء جينوم المفطورة التناسلية البالغ 600 كيلوباز في عام 2008، وهو أول كائن حي اصطناعي يتم إنشاؤه على الإطلاق. تم اتخاذ خطوات مماثلة في تخليق جينوم المفطورة الميكويدية الأكبر بعد بضع سنوات.

 جينومات كاملة وكائنات حية قابلة للحياة 
تمكن الباحثون من إنشاء كائن حي اصطناعي لأول مرة في عام 2010. تم تنفيذ هذا الإنجاز من قبل شركة جينوميكس ، التي تواصل التخصص في البحث والتسويق للجينومات المصممة حسب الطلب. يتكون مشروع مختبرية المفطورة (سينثيا) هذا من جينوم بحجم 600 كيلو زوج قاعدي (يشبه جينوم المفطورة الميكويدية، باستثناء إدراج بعض العلامات المائية) عبر طريقة تجميع جيبسون وإعادة التركيب المرتبط بالتحول. تم إدخاله في قشرة خالية من DNA لـ المفطورة القطعية لإنتاج بكتيريا حية تنقسم. منذ ذلك الحين، تم تصغير هذا الخط وتحسينه further.

في مايو 2019، تم تخليق جينوم كامل لـ الإشريكية القولونية معدَّل لاستخدام 61 فقط من أصل 64 كودون ممكن، يُدعى Syn61. تم تجميعه بواسطة الاقتران البكتيري مما أدى إلى سلالة من البكتيريا الحية المنقسمة.

في أبريل 2019، قام علماء بتعديل جينوم باستخدام خوارزميات حاسوبية لرسم هيكل الجينوم بالكامل وتحسينه من أجل الاستقرار والوظيفة وسهولة التخليق. أطلقوا على النتيجة اسم ايثانون 2.0"، ولكن على الرغم من إنتاج جزيئات حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين جينومية كاملة، إلا أنهم لم ينجحوا في إنشاء خلية بكتيرية حية ومنقسمة تحتوي على هذا الجينوم. إذا نجحوا في النهاية في إنشاء نسخة قابلة للحياة في المستقبل، فسيكون ذلك خطوة رئيسية في تخصيص جينومات الكائنات الدقيقة في مجالات مثل الطب والطاقة والعلوم البيئية. حللت ورقة بحثية عام 2021 الاختلافات في نسخ الجينات بين الجينوم الطبيعي والإصدار الاصطناعي، مقترحة طرقًا لجعل الجينوم الاصطناعي يعمل. اتضح أن العديد من الطفرات المحايدة المفترضة التي أدخلها الكمبيوتر غيرت أنظمة تنظيمية غير معروفة سابقًا. في عام 2025، أبلغ الباحثون عن سلالة جديدة "Syn57"، والتي تزيل استخدام 7 من أصل 64 كودونًا تمامًا.

 زوج قاعدي غير طبيعي 

الزوج القاعدي غير الطبيعي (UBP) هو وحدة فرعية مصممة (أو قاعدة نووية) من حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين يتم إنشاؤها في المختبر ولا توجد في الطبيعة. في عام 2012، نشر فريق من العلماء الأمريكيين بقيادة فلويد ، عالم الأحياء الكيميائي في معهد أبحاث سكريبس في سان دييغو، كاليفورنيا، أن فريقه صمم زوجًا قاعديًا غير طبيعي (UBP). سُمي النيوكليوتيدان الاصطناعيان الجديدان أو الزوج القاعدي غير الطبيعي (UBP) d5SICS و dNaM. بشكل أكثر تقنية، تحتوي هذه النيوكليوتيدات الاصطناعية الحاملة لقواعد نووية كارهة للماء، على حلقتين عطريتين مندمجتين تشكلان معقدًا أو زوجًا قاعديًا (d5SICS–dNaM) في DNA. في عام 2014، أبلغ الفريق نفسه من معهد أبحاث سكريبس عن قيامهم بتخليق جزء من حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين دائري يعرف باسم البلازميد يحتوي على أزواج قاعدية طبيعية T-A و C-G جنبًا إلى جنب مع أفضل زوج قاعدي غير طبيعي أداءً قامت بتصميمه مختبرات روميسبرغ، وأدخلوه في خلايا البكتيريا الشائعة الإشريكية القولونية التي كررت بنجاح الأزواج القاعدية غير الطبيعية عبر عدة أجيال. هذا هو أول مثال معروف لكائن حي ينقل شفرة وراثية موسعة إلى الأجيال اللاحقة. تم تحقيق ذلك جزئيًا من خلال إضافة جين طحلبي داعم يعبر عن ناقل ثلاثي فوسفات النوكليوزيد الذي يستورد بكفاءة ثلاثي فوسفات كل من d5SICSTP و dNaMTP إلى بكتيريا الإشريكية القولونية. ثم تستخدم مسارات التكرار البكتيرية الطبيعية هذه البلازميدات لتكرار البلازميد المحتوي على d5SICS–dNaM بدقة.

يمثل الدمج الناجح للزوج القاعدي الثالث اختراقًا كبيرًا نحو هدف توسيع عدد الأحماض الأمينية التي يمكن ترميزها بواسطة حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين بشكل كبير، من 20 حمضًا أمينيًا موجودًا إلى 172 ممكنًا نظريًا، مما يوسع إمكانات الكائنات الحية لإنتاج بروتينات جديدة. لا ترمز سلاسل حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين الاصطناعية لأي شيء بعد، لكن العلماء يتكهنون بأنه يمكن تصميمها لتصنيع بروتينات جديدة يمكن أن يكون لها استخدامات صناعية أو صيدلانية.

 انظر أيضًا 

نظام المعلومات الوراثية الموسع اصطناعيا

 المراجع 

تصنيف:علم الوراثة الجزيئي