النهج الجديد لإعادة كتابة الشفرة الجينية للبكتيريا إلى أدوية جديدة

تقوم جميع الكائنات الحية تقريبًا ببناء بروتيناتها من مجموعات من 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة. لإضافة أحماض أمينية جديدة إلى الخليط ، أعاد العلماء هندسة الجينات وقطع أخرى من آلات بناء البروتين ، مما أدى إلى بروتينات ذات خصائص كيميائية فريدة مفيدة في صنع الأدوية. لكن العمل شاق ويمكنه عادةً إضافة حمض أميني جديد واحد فقط في كل مرة.

الآن ، فتح الباحثون الباب على مصراعيه لعمل المزيد. أفادوا اليوم أن إعادة كتابة واسعة لجينوم البكتيريا تتيح لهم إضافة العديد من الأحماض الأمينية الجديدة إلى بروتين واحد. يمكن أن يفتح العمل طرقًا جديدة لتصنيع المضادات الحيوية والأدوية المضادة للأورام.

يقول تشانغ ليو ، عالم الأحياء الاصطناعية في جامعة كاليفورنيا ، إيرفين: “إنني معجب جدًا بهذه الورقة”. “إنها معلم هام في قوس إعادة هندسة الشفرة الجينية.”

كان الجهد الجديد جاريًا منذ عقود. كان أحد الأساليب المبكرة لإنشاء البروتينات المصممة هو التحكم في المكونات الخلوية لصنع البروتين وحملها على إدخال أحماض أمينية غير طبيعية. عندما تصنع الخلايا بروتينات ، يتم أولاً نسخ رمز الحمض النووي لـ A و C و G و T إلى RNA (حيث يحل U محل T). يُقرأ الحمض النووي الريبي على شكل سلسلة من الكلمات المكونة من ثلاثة أحرف ، والمعروفة باسم الكودونات ، والتي يرمز معظمها لواحد من الأحماض الأمينية الطبيعية العشرين التي يتم إدخالها في البروتين. ولكن نظرًا لوجود 64 كودونًا من ثلاثة أحرف ، فهناك نسخ مكررة: ستة أكواد ، على سبيل المثال ، رمز سيرين الأحماض الأمينية. ثلاثة أكواد لا ترمز إلى حمض أميني ؛ بدلاً من ذلك ، يوجهون الخلايا للتوقف عن بناء البروتينات.

في البداية ، قام الباحثون بإدخال أحماض أمينية غير طبيعية عن طريق جعل الآلية الخلوية تضيف واحدة كلما شاهدت كودون توقف معين. على الرغم من أن هذا النهج أصبح أكثر تعقيدًا ، إلا أنه لا يزال بإمكانه بشكل عام إدخال حمض أميني واحد فقط لكل بروتين ، كما يقول جيسون تشين ، عالم الأحياء الاصطناعية في مختبر مجلس البحوث الطبية للبيولوجيا الجزيئية.

على أمل إضافة المزيد ، سعى تشين وزملاؤه إلى إعادة توظيف اثنين من الكودونات الستة التي عادةً ما ترمز إلى السيرين. في دراسة أجريت عام 2019 ، استخدم الباحثون أداة تحرير الجينات CRISPR-Cas9 لإنشاء سلالة Escherichia coli المعروفة باسم Syn61. لتحقيق ذلك ، قاموا باستبدال أكثر من 18000 كودون سيرين في جينوم البكتيريا البالغ طوله 4 ملايين قاعدة. استبدل الباحثون UCG و UCA - و Stop codon UAG - بـ “المرادفات” AGC و AGU و UAA ، على التوالي. وهذا يعني أن السيرين سيظل مدمجًا في البقع الصحيحة لبروتينات Syn61 المتنامية. لكن أكواد UCG و UCA و UAG أصبحت الآن “فراغات” فعالة لم تعد مشفرة لأي شيء في البروتين ، وبالتالي كانت جاهزة لإعادة استخدامها.

هذا التغيير هو ما أنجزه تشين وزملاؤه الآن. من خلال العمل مع Syn61 ، قام العلماء بحذف جينات لجزيئات تسمى نقل الحمض النووي الريبي (tRNAs) التي تتعرف على UGC و UCA وتدخل السيرين في بروتين نام. قاموا أيضًا بإزالة المركب الكيميائي الذي يوقف تخليق البروتين استجابةً لكودون الإيقاف UAG. ثم أضاف الباحثون الجينات مرة أخرى مع tRNAs جديدة من شأنها أن تدخل أحماض أمينية غير طبيعية كلما واجهوا UGC أو UCA أو UAG. أخيرًا ، كتبوا تلك الكودونات مرة أخرى في الجينوم حيث أرادوا ظهور الأحماض الأمينية غير الطبيعية. أفاد الباحثون أن ذلك سمح لهم بإضافة ثلاثة أحماض أمينية غير طبيعية دفعة واحدة إلى بروتينات فردية. يمكنهم أيضًا كتابة نسخ متعددة من كل منها.

يقول أبهيشيك تشاترجي ، عالم الأحياء الاصطناعية في كلية بوسطن: “لقد أحدثت تأثيرًا حقيقيًا”. سمحت التغييرات لـ Chin وزملائه بربط الأحماض الأمينية الجديدة معًا في سلسلة من الهياكل الحلقية التي تشبه إلى حد بعيد المضادات الحيوية والأدوية المضادة للأورام الموجودة. ونظرًا لوجود العشرات من الأحماض الأمينية غير الطبيعية المختلفة للاختيار من بينها ، يمكن إدخال عدد لا يحصى من التركيبات بهذه الطريقة. يقول تشاترجي إن هذا يفتح الباب أمام إنشاء مكتبات واسعة من الأدوية الجديدة المحتملة. يضيف تشين أنه يمكن للباحثين أيضًا توسيع إستراتيجية إعادة توظيف الكودونات الزائدة عن الحاجة لإضافة المزيد من الأحماض الأمينية الجديدة - والمزيد من التنوع الكيميائي - إلى المزيج.

ويقول ليو إنه ربما كان الشيء المثير للاهتمام هو ما تعنيه التغييرات الجينية بالجملة للفيروسات التي تصيب عادة بكتيريا الإشريكية القولونية. في عام 2013 ، أفاد الباحثون أن إعادة هندسة أكواد الإيقاف الخاصة بالإشريكية القولونية يمكن أن تعطل قدرة الفيروسات على التكاثر. حدث ذلك لأن الفيروسات تعتمد على الكودونات الطبيعية للإشريكية القولونية لصنع بروتينات وظيفية. لم تكن الإستراتيجية مضمونة في إيقاف العدوى الفيروسية ، لأن إيقاف الكودونات لا يحدث كثيرًا في كثير من الأحيان ، وتمكنت بعض الفيروسات من تطوير طريقها للتغلب على التغييرات.

لكن الفيروسات تتطلب عادةً عددًا أكبر من السيرينات في كل بروتين. نظرًا لأن Syn61 المعدل لم يعد يدخل السيرين عندما تقرأ آلات بناء البروتين الخاصة به رموز UCG أو UCA ، لم تتمكن الفيروسات من الحصول على Syn61 لبناء بروت فيروسية  عاملة.

المصدر:

• Science