آزمایشگاه مایکوپلاسما کیست؟ توضیح بده.
مایکوپلاسما لابراتوریوم (Mycoplasma laboratorium) یا سینتیا (Synthia) به طرحی برای تولید یک سویه مصنوعی از یک باکتری اشاره دارد. پروژه ساخت این باکتری جدید از زمان آغاز دستخوش تغییراتی شده است. در ابتدا، هدف شناسایی مجموعه حداقلی از ژن‌های مورد نیاز برای حیات از ژنوم باکتری "مایکوپلاسما ژنیتالیوم" (Mycoplasma genitalium) و بازسازی مصنوعی این ژن‌ها برای ایجاد یک ارگانیسم «جدید» بود. "مایکوپلاسما ژنیتالیوم" در اصل به این دلیل به عنوان مبنای این پروژه انتخاب شد که در آن زمان، در میان تمام ارگانیسم‌های تحلیل‌شده، کمترین تعداد ژن را داشت. بعدها، تمرکز پروژه به "مایکوپلاسما میکوئیدس" (Mycoplasma mycoides) تغییر یافت و رویکردی مبتنی بر آزمون و خطا در پیش گرفته شد.برای شناسایی ژن‌های حداقلی مورد نیاز برای حیات، هر یک از ۴۸۲ ژن "مایکوپلاسما ژنیتالیوم" به صورت جداگانه حذف شد و زیست‌پذیری جهش‌یافته‌های حاصل مورد آزمایش قرار گرفت. این کار منجر به شناسایی یک مجموعه حداقلی متشکل از ۳۸۲ ژن شد که از نظر تئوری باید نمایانگر یک ژنوم حداقلی باشد. در سال ۲۰۰۸، مجموعه کامل ژن‌های "مایکوپلاسما ژنیتالیوم" در آزمایشگاه ساخته شد و «واترمارک‌هایی» به آن افزوده شد تا این ژن‌ها به عنوان ژن‌های مصنوعی شناسایی شوند. با این حال، "مایکوپلاسما ژنیتالیوم" بسیار به کندی رشد می‌کند و به همین دلیل "مایکوپلاسما میکوئیدس" به عنوان تمرکز جدید انتخاب شد تا آزمایش‌های با هدف تعیین مجموعه ژن‌های واقعاً مورد نیاز برای رشد، سرعت یابد.در سال ۲۰۱۰، ژنوم کامل زیرگونه "M. mycoides" "capri" GM12 با موفقیت از روی یک رکورد کامپیوتری سنتز شد و به یک سلول موجود از باکتری "مایکوپلاسما کاپریکولوم" که DNA آن حذف شده بود، پیوند زده شد. تخمین زده می‌شود که تولید ژنوم مصنوعی مورد استفاده برای این پروژه، ۴۰ میلیون دلار آمریکا هزینه و ۲۰۰ نفر-سال زمان برده است. باکتری جدید قادر به رشد بود و JCVI-syn1.0 یا سینتیا نام گرفت. پس از آزمایش‌های تکمیلی برای شناسایی مجموعه کوچک‌تری از ژن‌ها که بتوانند یک ارگانیسم کارا تولید کنند، JCVI-syn3.0 ساخته شد که حاوی ۴۷۳ ژن بود. عملکرد ۱۴۹ عدد از این ژن‌ها ناشناخته است. از آنجا که ژنوم JCVI-syn3.0 یک ژنوم کاملاً جدید است، این ارگانیسم به عنوان اولین موجود زنده حقیقتاً مصنوعی در نظر گرفته می‌شود.پروژه ژنوم حداقلی.تولید سینتیا، تلاشی در حوزه زیست‌شناسی مصنوعی در مؤسسه جی. کریگ ونتر توسط تیمی متشکل از تقریباً ۲۰ دانشمند به سرپرستی برنده جایزه نوبل، همیلتون اسمیت و با حضور پژوهشگر DNA، کریگ ونتر و میکروب‌شناس، کلاید ای. هاچیسون سوم است. هدف کلی این پروژه، تقلیل یک موجود زنده به اجزای ضروری آن و در نتیجه، درک این موضوع است که برای ساختن یک ارگانیسم جدید از ابتدا چه چیزی لازم است. تمرکز اولیه بر روی باکتری "مایکوپلاسما ژنیتالیوم" بود؛ یک انگل اجباری درون‌سلولی که ژنوم آن از ۴۸۲ ژن شامل ۵۸۲٬۹۷۰ جفت‌باز تشکیل شده و بر روی یک کروموزوم دایره‌ای قرار گرفته است (در زمان شروع پروژه، این کوچک‌ترین ژنوم در میان موجودات طبیعی شناخته‌شده‌ای بود که می‌توانستند در کشت آزاد رشد کنند). آنها با استفاده از جهش‌زایی با ترانسپوزون، ژن‌هایی را که برای رشد ارگانیسم ضروری نبودند شناسایی کردند و به یک مجموعه حداقلی ۳۸۲ ژنی دست یافتند. این تلاش به عنوان پروژه ژنوم حداقلی (Minimal Genome Project) شناخته می‌شود.انتخاب ارگانیسم.مایکوپلاسما."مایکوپلاسما" سرده‌ای از باکتری‌ها از رده Mollicutes در شاخه Mycoplasmatota (که قبلاً Tenericutes نامیده می‌شد) است که مشخصه آن نداشتن دیواره سلولی (که آن را گرم منفی می‌کند) به دلیل سبک زندگی انگلی یا هم‌سفرگی آن است.در زیست‌شناسی مولکولی، این سرده هم به دلیل اینکه یک آلاینده بدنام با ریشه‌کنی دشوار در کشت سلول پستانداران است (به آنتی‌بیوتیک‌های بتالاکتام و سایر آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم است) و هم به دلیل کاربردهای بالقوه‌اش به عنوان یک ارگانیسم مدل به خاطر اندازه کوچک ژنومش، توجه زیادی را به خود جلب کرده است.در سال ۱۹۹۶، پس از مقایسه "مایکوپلاسما ژنیتالیوم" با باکتری کوچک دیگری به نام "هموفیلوس آنفلوآنزا"، آرکادی موشگیان و یوجین کونین پیشنهاد کردند که ممکن است یک مجموعه مشترک از ۲۵۶ ژن وجود داشته باشد که می‌تواند مجموعه حداقلی ژن‌های لازم برای زیست‌پذیری باشد.انتخاب این سرده برای پروژه سینتیا به سال ۲۰۰۰ بازمی‌گردد، زمانی که کارل رایش عبارت "مایکوپلاسما لابراتوریوم" را ابداع کرد.ارگانیسم‌های دیگر با ژنوم‌های کوچک.تا سال ۲۰۰۵، باکتری "پلژی‌باکتر اوبیکه" (یک آلفاپروتئوباکتریا از راسته ریکتسیالس) کوچک‌ترین ژنوم شناخته‌شده (۱٬۳۰۸٬۷۵۹ جفت‌باز) را در میان موجودات زنده آزاد داشت و یکی از کوچک‌ترین سلول‌های خودتکثیر شناخته‌شده است. این باکتری احتمالاً پرتعدادترین باکتری در جهان است (شاید ۱۰۲۸ سلول) و تخمین زده می‌شود که همراه با دیگر اعضای کلاد SAR11، بین یک‌چهارم تا نیمی از کل سلول‌های باکتریایی یا آرکئایی اقیانوس را تشکیل می‌دهند. این باکتری در سال ۲۰۰۲ از طریق توالی‌های rRNA شناسایی شد و در سال ۲۰۰۵ به‌طور کامل توالی‌یابی شد. کشت این گونه که در محیط آزمایشگاهی به تراکم رشد بالایی نمی‌رسد، بسیار دشوار است.چندین گونه تازه‌کشف‌شده ژن‌های کمتری نسبت به "مایکوپلاسما ژنیتالیوم" دارند، اما آزادزی نیستند: بسیاری از ژن‌های ضروری که در "Hodgkinia cicadicola", "Sulcia muelleri", "Baumannia cicadellinicola" (همزیست‌های زنجره) و "Carsonella ruddii" (همزیست پسیل گال دمبرگ زبان‌گنجشک، "Pachypsylla venusta") وجود ندارند، ممکن است در هسته میزبان کدگذاری شده باشند. ارگانیسمی که تا سال ۲۰۱۳ دارای کوچک‌ترین مجموعه ژن شناخته‌شده است، "Nasuia deltocephalinicola"، یک همزیست اجباری است. این ارگانیسم تنها ۱۳۷ ژن و ژنومی به اندازه ۱۱۲ کیلوباز دارد.تکنیک‌ها.برای این پروژه لازم بود چندین تکنیک آزمایشگاهی توسعه داده شود یا تطبیق یابد، زیرا این پروژه نیازمند سنتز و دستکاری قطعات بسیار بزرگی از DNA بود.پیوند ژنوم باکتریایی.در سال ۲۰۰۷، تیم ونتر گزارش داد که موفق شده‌اند کروموزوم گونه "مایکوپلاسما مایکویدس" را به "مایکوپلاسما کاپریکولوم" منتقل کنند. این کار از طریق مراحل زیر انجام شد:اصطلاح تراریختی (Transformation) برای اشاره به ورود یک وکتور به سلول باکتریایی (از طریق الکتروپوریشن یا شوک حرارتی) استفاده می‌شود. در اینجا، اصطلاح پیوند (transplantation) مشابه با انتقال هسته‌ای به کار رفته است.سنتز کروموزوم باکتریایی.در سال ۲۰۰۸، گروه ونتر تولید یک ژنوم مصنوعی را توصیف کردند که نسخه‌ای از توالی "M. genitalium" G37 L43967 بود. این کار با استفاده از یک استراتژی سلسله‌مراتبی انجام شد:ژنوم حاصل از این تلاش در سال ۲۰۰۸ با نام "M. genitalium" JCVI-1.0 در GenBank با شناسه CP001621.1 منتشر شده است. این ژنوم نباید با ارگانیسم‌های مصنوعی بعدی که JCVI-syn نامیده شده و بر پایه "M. mycoides" ساخته شده‌اند، اشتباه گرفته شود.ژنوم مصنوعی.در سال ۲۰۱۰، ونتر و همکارانش سویه "مایکوپلاسما مایکویدس" JCVI-syn1.0 را با یک ژنوم مصنوعی ایجاد کردند. در ابتدا، سازه مصنوعی کار نکرد. برای یافتن خطا — که باعث تأخیری سه‌ماهه در کل پروژه شد — مجموعه‌ای از سازه‌های نیمه‌مصنوعی ایجاد شد. علت شکست، یک جهش تغییر چارچوب (frameshift mutation) در ژن DnaA بود که یک عامل شروع همانندسازی است.هدف از ساخت یک سلول با ژنوم مصنوعی، آزمایش روش‌شناسی به عنوان گامی برای ایجاد ژنوم‌های اصلاح‌شده در آینده بود. استفاده از یک ژنوم طبیعی به عنوان الگو، منابع بالقوه شکست را به حداقل رساند. ۸ قطعه ساخته شده در مخمر به هم متصل شدند تا ژنوم را تشکیل دهند. چندین تفاوت در "مایکوپلاسما مایکویدس" JCVI-syn1.0 نسبت به ژنوم مرجع وجود دارد؛ به ویژه یک ترانسپوزون IS1 از "E.coli" (یک آلودگی از مرحله ساخت قطعات ۱۰ کیلوبازی) و یک تکرار ۸۵ جفت‌بازی، و همچنین عناصری که برای تکثیر در مخمر لازم بودند و بقایای جایگاه‌های برش آنزیمی.بحث و جدل‌هایی در مورد اینکه آیا JCVI-syn1.0 یک ارگانیسم واقعاً مصنوعی است یا خیر، وجود داشته است. اگرچه ژنوم آن به صورت شیمیایی و در قطعات متعدد سنتز شد، اما این ژنوم به گونه‌ای ساخته شد که شباهت زیادی به ژنوم والد داشته باشد و به سیتوپلاسم یک سلول طبیعی پیوند زده شد. DNA به تنهایی نمی‌تواند یک سلول زنده ایجاد کند: پروتئین‌ها و RNAها برای خواندن DNA ضروری هستند و غشای لیپیدی برای محصور کردن DNA و سیتوپلاسم مورد نیاز است. در JCVI-syn1.0، دو گونه‌ای که به عنوان دهنده و گیرنده استفاده شدند از یک سرده بودند که این امر مشکلات بالقوه ناشی از عدم تطابق بین پروتئین‌های سیتوپلاسم میزبان و ژنوم جدید را کاهش می‌دهد. پال کیم (یک متخصص ژنتیک مولکولی در دانشگاه آریزونای شمالی در فلگستف) خاطرنشان کرد که «چالش‌های بزرگی پیش روی مهندسان ژنتیک برای ترکیب، تطبیق و طراحی کامل ژنوم یک ارگانیسم از ابتدا وجود دارد».واترمارک‌ها.یکی از ویژگی‌های بسیار publicized شدهٔ JCVI-syn1.0 وجود توالی‌های واترمارک است. این ۴ واترمارک (که در شکل S1 در مطالب تکمیلی مقاله نشان داده شده‌اند) پیام‌های کدگذاری‌شده‌ای هستند که به ترتیب با طول‌های ۱۲۴۶، ۱۰۸۱، ۱۱۰۹ و ۱۲۲۲ جفت‌باز در DNA نوشته شده‌اند. این پیام‌ها از کد ژنتیکی استاندارد (که در آن توالی‌های ۳تایی بازهای DNA، اسیدهای آمینه را کد می‌کنند) استفاده نمی‌کنند، بلکه از یک کد جدید که برای این منظور ابداع شده بود، بهره می‌برند و خوانندگان برای حل آن به چالش کشیده شدند. محتوای واترمارک‌ها به شرح زیر است:تکامل‌های بعدی.JCVI-syn3.0.در سال ۲۰۱۶، مؤسسه ونتر با استفاده از ژن‌های JCVI-syn1.0، ژنوم کوچک‌تری به نام JCVI-syn3.0 را سنتز کرد که شامل ۵۳۱٬۵۶۰ جفت‌باز و ۴۷۳ ژن است. در این ارگانیسم جدید، تعداد ژن‌ها تنها به ۴۷۳ عدد کاهش یافته که از این تعداد، کارکرد ۱۴۹ ژن (تا سال ۲۰۱۶) کاملاً ناشناخته است. برای ساخت JCVI-syn3.0، دانشمندان از سویه‌ای به نام JCVI-syn2.0 استفاده کردند تا بررسی کنند کدام ژن‌ها را می‌توان با اطمینان حذف کرد.JCVI-syn3A.سلول‌های JCVI-syn3.0 شکننده بودند و دستکاری آنها دشوار بود. همچنین شکل‌های متغیر و نامنظمی داشتند. برای حل این مشکل، سویه جدیدی به نام JCVI-syn3A در سال ۲۰۱۷ ساخته شد که ۱۹ ژن اضافی از JCVI-syn1.0 را در خود جای داده و دو ژن دیگر را حذف کرده بود. ژن‌های اضافه‌شده شامل پروتئین‌های تقسیم سلولی FtsZ و SepF و برخی پروتئین‌ها با عملکرد ناشناخته بودند. باکتری حاصل دارای ۴۹۳ ژن (۴۵۲ پروتئین و ۳۸ RNA) بر روی یک ژنوم ۵۴۳ کیلوبازی بود. یک مدل محاسباتی کامل از تمام مسیرهای متابولیک در syn3A در سال ۲۰۱۹ منتشر شد که اولین مدل درون‌رایانه‌ای (in silico) برای یک ارگانیسم زنده حداقلی محسوب می‌شود. این مدل ۱۵۵ ژن را که ۳۳۸ واکنش شیمیایی را انجام می‌دادند، پوشش می‌داد. مدل‌های آینده زیست‌زایی ریبوزوم و زیست‌زایی tRNA را نیز پوشش خواهند داد.تا سال ۲۰۱۹، ۹۱ ژن در syn3A عملکرد ناشناخته‌ای داشتند. ۸ مورد از این ژن‌ها دارای یک ارتولوگ در پایگاه داده KEGG بودند که تا حدی عملکرد احتمالی آنها را روشن می‌کند.JCVI-syn3B.JCVI-syn3B برای اولین بار در مقاله‌ای در سال ۲۰۲۱ (منتشر شده در ۲۰۲۳) دربارهٔ تکامل این سویه توصیف شد. ژنوم آن در سال ۲۰۲۴ به عنوان بخشی از مقاله‌ای منتشر شد که کاربرد آن را به عنوان یک ارگانیسم مدل برای مطالعه تعامل بین "M. mycoides" و سلول‌های پستانداران شرح می‌داد. Syn3B قادر به اتصال به این سلول‌ها یا زندگی در درون آنها به عنوان یک انگل درون‌سلولی نبود، اما Syn1.0 این توانایی را داشت. مشخص شد که هشت ژن در Syn1.0 برای این رفتارها ضروری هستند. هنگامی که این ژن‌ها به Syn3B بازگردانده شدند، سویه تراریخته می‌توانست متصل شود اما از بیگانه‌خواری (phagocytosis) جان سالم به در نمی‌برد. ژنوم Syn3B (CP146056) بسیار شبیه به syn3A است، به استثنای چند این‌دل و افزودن یک قطعه ۱۱۸۶ جفت‌بازی با منشأ مخمری که در Syn3.0 نیز وجود دارد.تلاش‌ها برای شناسایی عملکرد ژن‌های ناشناخته.به خوانندگان توصیه می‌شود برای آگاهی از تلاش‌های انجام شده برای شناسایی عملکرد ژن‌های ناشناخته در سویه‌های JCVI، به بخش مقدمه مقاله بیانکی و همکاران (۲۰۲۲) مراجعه کنند. هم روش‌های آزمایشگاه خیس و هم روش‌های بیوانفورماتیک برای روشن کردن عملکرد این ژن‌ها به کار گرفته شده‌اند. کار بیانکی و همکاران خود تلاشی برای یافتن پروتئین‌های همولوگ از طریق بیوانفورماتیک است.نگرانی‌ها و بحث‌ها.واکنش‌ها.در ۶ اکتبر ۲۰۰۷، کریگ ونتر در مصاحبه‌ای با روزنامه "گاردین" بریتانیا اعلام کرد که همان تیم، نسخه اصلاح‌شده‌ای از کروموزوم منفرد "مایکوپلاسما ژنیتالیوم" را به صورت شیمیایی سنتز کرده است. این ژنوم سنتز شده هنوز به یک سلول زنده پیوند زده نشده بود. روز بعد، گروه اخلاق زیستی کانادایی، گروه ای‌تی‌سی، از طریق نماینده خود، پت مونی، بیانیه‌ای صادر کرد و گفت که «مخلوق» ونتر «شاسی است که می‌توان تقریباً هر چیزی را روی آن ساخت. این می‌تواند کمکی به بشریت مانند داروهای جدید یا تهدیدی بزرگ برای بشریت مانند سلاح‌های بیولوژیکی باشد». ونتر در پاسخ گفت: «ما با ایده‌های بزرگ سر و کار داریم. ما در تلاشیم تا یک نظام ارزشی جدید برای حیات ایجاد کنیم. وقتی در این مقیاس کار می‌کنید، نمی‌توانید انتظار داشته باشید که همه خوشحال باشند.»در ۲۱ مه ۲۰۱۰، مجله "ساینس" گزارش داد که گروه ونتر با موفقیت ژنوم باکتری "مایکوپلاسما مایکویدس" را از روی یک رکورد کامپیوتری سنتز کرده و ژنوم سنتز شده را به سلول موجود باکتری "مایکوپلاسما کاپریکولوم" که DNA آن حذف شده بود، پیوند زده است. این باکتری «مصنوعی» زنده بود، یعنی قادر به تکثیر بود. ونتر آن را «اولین گونه‌ای که والدینش یک کامپیوتر هستند» توصیف کرد.ایجاد یک باکتری مصنوعی جدید، JCVI-3.0، در ۲۵ مارس ۲۰۱۶ در مجله "ساینس" اعلام شد. این باکتری تنها ۴۷۳ ژن دارد. ونتر آن را «اولین ارگانیسم طراحی‌شده در تاریخ» نامید و استدلال کرد که این واقعیت که عملکرد ۱۴۹ ژن از ژن‌های ضروری آن ناشناخته است، به این معناست که «کل حوزه زیست‌شناسی یک‌سوم از آنچه برای حیات ضروری است را نادیده گرفته است».پوشش رسانه‌ای.این پروژه به دلیل نمایشگری ونتر، پوشش رسانه‌ای گسترده‌ای دریافت کرد، تا حدی که جی کیزلینگ، یکی از پیشگامان زیست‌شناسی مصنوعی و بنیان‌گذار شرکت امیریس، اظهار داشت: «تنها مقرراتی که ما نیاز داریم، کنترل دهان همکار من است.»کاربرد.ونتر استدلال کرده است که باکتری‌های مصنوعی گامی به سوی ایجاد ارگانیسم‌هایی برای تولید هیدروژن و سوخت زیستی، و همچنین برای جذب کربن دی‌اکسید و دیگر گازهای گلخانه‌ای هستند. جرج ام. چرچ، یکی دیگر از پیشگامان زیست‌شناسی مصنوعی، دیدگاه مخالفی را ابراز کرده و معتقد است که ایجاد یک ژنوم کاملاً مصنوعی ضروری نیست، زیرا "اشریشیا کلی" حتی با تمام DNA اضافی خود، کارآمدتر از "M. genitalium" رشد می‌کند. او خاطرنشان کرد که ژن‌های مصنوعی برای انجام برخی از وظایف فوق به "E.coli" وارد شده‌اند.مالکیت فکری.مؤسسه جی. کریگ ونتر در سال ۲۰۰۶ پتنت‌هایی را برای ژنوم "مایکوپلاسما لابراتوریوم" («ژنوم حداقلی باکتریایی») در ایالات متحده و در سطح بین‌المللی ثبت کرد. گروه ETC، یک گروه اخلاق زیستی کانادایی، با این استدلال که دامنه این پتنت بیش از حد گسترده است، به آن اعتراض کرد.پروژه‌های مشابه.از سال ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۰، تیمی در آکادمی علوم مجارستان سویه‌ای از "اشریشیا کلی" به نام MDS42 ایجاد کردند که اکنون توسط شرکت Scarab Genomics در مدیسون، ویسکانسین با نام "Clean Genome. E.coli" فروخته می‌شود. در این سویه، ۱۵٪ از ژنوم سویه والد (E. coli K-12 MG1655) حذف شد تا کارایی در زیست‌شناسی مولکولی افزایش یابد. با حذف عناصر IS، شبه‌ژن‌ها و فاژها، نگهداری از ژن‌های سمی کدگذاری‌شده در پلاسمیدها، که اغلب توسط ترانسپوزون‌ها غیرفعال می‌شوند، بهبود یافت. بیوشیمی و ماشین‌آلات همانندسازی تغییر نکردند.پیوند به بیرون.توالی‌های ژنومی