خلايا صناعية تنمو وتنسخ حمضها النووي – اكتشافات جديدة

خلايا صناعية تنمو وتنسخ حمضها النووي وتنتج نسلاً—لكنها ليست حية

لطالما حلم علماء الأحياء التركيبية بإنشاء خلايا صناعية من الأسفل إلى الأعلى. وقد أحرز الباحثون الآن خطوة كبيرة في هذا الاتجاه من خلال إثبات أنه يمكن تجميع مكونات غير حية في نظام ينمو، وينسخ حمضه النووي، وينقسم.

لقد حولت الثورة الجينومية قدرتنا على فهم الآلات الخلوية والتلاعب بها، مما سمح للعلماء بإعادة توصيل الدوائر الجينية للخلايا لمحاربة الأمراض، وإنتاج مواد كيميائية قيمة، وجعل المحاصيل أكثر مقاومة. ومع ذلك، فإن الكأس المقدسة لهذا المجال كانت استخدام هذه الأدوات لإنشاء خلايا صناعية بالكامل—وهو إنجاز من شأنه أن يدل على إتقان البشرية لمكونات الحياة الأساسية.

تحديات بناء خلايا صناعية

لقد كان السؤال حول كيفية القيام بذلك مفتوحًا لفترة طويلة. أحرز رائد الجينوم كريغ فنتير تقدمًا كبيرًا من خلال تقليص البكتيريا الحية إلى أساسياتها، مما أدى إلى الكشف عن خلية الحد الأدنى في عام 2016 تحتوي على 473 جينًا فقط. وقد اتخذ مشروع الجينوم الصناعي للخميرة نهجًا معاكسًا، حيث قام ببناء نسخ صناعية لجميع الكروموسومات الستة عشر للخميرة من الصفر، على الرغم من أنهم لم يتمكنوا بعد من جعلها تعمل معًا في خلية واحدة.

الآن، قام باحثون من جامعة مينيسوتا بتجميع خلية صناعية من مكونات غير حية مهندسة موجودة داخل غشاء يشبه الخلية. كانت إبداعاتهم قادرة على تحقيق أربعة سمات رئيسية للكيان الحي—القدرة على التغذية، والنمو، ونسخ المادة الوراثية، وإنتاج النسل.

قالت كيت أدامالا، التي قادت المشروع، في بيان صحفي: “لقد قمنا بتكرار في الكيمياء ما كان ممكنًا فقط في البيولوجيا: مجموعة كاملة من سلوكيات الخلية.” “هذا يثبت أن الوظائف الأساسية للحياة، مثل النمو والتكاثر، لا تحتاج إلى شرارة سحرية غامضة.”

تصميم الخلية الصناعية

توضح الأبحاث تصميم كائنها الصناعي—المسمى SpudCell لشكلها الشبيه بالبطاطس تحت المجهر—في ورقة غير محكمة المراجعة تم تحميلها على bioRxiv. تتميز SpudCell بجينوم طوله 90,000 زوج قاعدي، وهو أقل بكثير من 113,000 زوج قاعدي التي توقعها الباحثون سابقًا كحد أدنى لدعم خلية قابلة للحياة.

بدلاً من احتواء جميع الجينات في كروموسوم واحد، قام الفريق بتوزيعها عبر عدة جزيئات DNA دائرية صغيرة تُسمى البلازميدات، كل منها متخصص في أداء وظائف معينة. يقول الباحثون إن هذا يجعل من الممكن تعديل جوانب مختلفة من الكائن بسهولة أكبر.

للقراءة الجينومية وبناء البروتينات، تستخدم SpudCell مجموعة محددة مسبقًا من 36 إنزيمًا نقيًا مأخوذة إلى حد كبير من E. coli. يجلس التجميع الكامل داخل ليبوسوم، وهو فقاعات فارغة من نفس الجزيئات الدهنية التي تشكل أغشية الخلايا الطبيعية.

آلية التغذية والتكاثر

تتغذى الخلية الصناعية بطريقتين متميزتين. تمر الجزيئات الصغيرة مباشرة إلى داخل الخلية عبر مسام بروتينية مزروعة عبر الغشاء. أما الجزيئات الكبيرة جدًا لتتسرب—مثل الريبوسومات والإنزيمات—فهي مُعبأة داخل فقاعات دهنية صغيرة تندمج مع الغشاء وتفرغ محتوياتها بالداخل.

بينما يمكن للخلية أن تتغذى، فإنها تعتمد بالكامل على الباحثين في توفير وجبات مُعدة خصيصًا. وهذا يعني أنها لا تزال بعيدة عن القدرة على البقاء في البرية، مما يعد حدًا كبيرًا وآلية أمان رئيسية. “إنها كائن فرانكشتاين طريح الفراش يحتاج إلى تغذية بالملعقة،” قالت أدامالا لـ New Scientist. “لا يوجد خطر من أن تخرج عن السيطرة.”

بعد تناول “الطعام”، تستخدم جينات SpudCell المادة لتحويلها إلى بروتينات، بينما تطوي الدهون الداخلة في غشائها. وهذا يتسبب في انتفاخ الهيكل الخلوي بالكامل. في غضون بضع ساعات، تصبح كبيرة بما يكفي للتكاثر عن طريق الانقسام إلى خليتين أصغر.

التحديات المستقبلية

لقد كانت عملية تكرار انقسام الخلايا تحديًا طويل الأمد في هذا المجال. تنقسم الخلايا الطبيعية باستخدام هيكل بروتيني معقد يُسمى الهيكل الخلوي، والذي يصعب إعادة إنشائه. وقد تجنبت فريق أدامالا هذه المشكلة باستخدام آلية مختلفة تمامًا، حيث تتجمع البروتينات على سطح الغشاء، مما يضعه تحت ضغط ميكانيكي. في النهاية، يضغط هذا على جزئين من الغشاء معًا لتكوين خلية جديدة.

حتى أن الخلايا تدير شكلًا بدائيًا من التطور. عندما قدم الباحثون تعديلًا جينيًا يعزز قدرة الخلايا على التغذية، تفوقت تلك التي تحمل المتغير على السلالة الأصلية في غضون خمسة أجيال، وازدادت ميزتها عندما عرض الباحثون السكان على نقص في المواد الغذائية.

ومع ذلك، لا أحد يدعي أن SpudCell حية. من المهم أن الخلايا لا تستطيع إنتاج الريبوسومات الخاصة بها—الآلات التي تبني البروتينات من التعليمات الجينية—وتتدهور الريبوسومات المقدمة من الباحثين بمرور الوقت، مما يحد من الخلايا إلى خمسة إلى عشرة انقسامات.

قال جاك سزوتاك من جامعة شيكاغو لـ Quanta إن العمل هو “خطوة مثيرة للإعجاب” لكن عدم القدرة على إنتاج الريبوسومات يحد بشدة من إمكانية النمو المستدام. “إذا كان نظامهم قادرًا على إنتاج الريبوسومات والبروتينات والـ RNAs الخاصة به، فسيكون أقرب بكثير إلى الخلايا البيولوجية الحالية مثل البكتيريا.”

ومع ذلك، يعتقد الباحثون أن هذه الخلايا الصناعية تمثل وسيلة واعدة لصناعة الأدوية والوقود والمواد دون الكيمياء الصناعية السامة والمرهقة للطاقة التي نعتمد عليها اليوم. وقد أنشأوا منظمة غير ربحية جديدة تُدعى Biotic لمشاركة الأدوات التي طوروها مع الباحثين.