باکتری ها مانند سیستم ضبط صوت ژنومی، برخورد با مواد شیمیایی را در DNA خود ذخیره می کنند

دکتر فرزاد فرد به همراه همکارانش از MIT، ژنوم باکتری E.coli را به یک وسیله ذخیره کننده طولانی مدت اطلاعات تغییر دادند. آنها امیدوارند این حافظه پایدار، که قابلیت پاک شدن و بازیابی اطلاعات را دارد برای کاربردهایی نظیر حسگرهای محیطی و پزشکی به بهره برداری برسد.

 

پروفسور Timothy Lu متخصص مهندسی الکتریکی، علوم کامپیوتر و مهندسی زیستی می گوید:

"شما می توانید اطلاعات را برای مدت بسیار طولانی ذخیره کنید. می توانید تصور کنید که این سیستم را در یک باکتری زنده در روده خود یا باکتری های محیطی داشته باشید. حتی می توانید آن را در محیط قرار داده و پس از چند روز برای بررسی مقدار باکتری ها مراجعه کنید."

این استراتژی جدید هفته گذشته (۱۳ نوامبر) در مجله Science شرح داده شد و بسیاری از محدودیت های موجود برای ذخیره حافظه در ژنوم باکتری ها را مرتفع ساخت. روش های موجود نیازمند تعداد زیادی عوامل تنظیمی ژنتیکی بودند که میزان اطلاعات ذخیره شده را محدود می ساختند.

تلاش های اولیه در این راستا تنها محدود به حافظه دیجیتالی می شدند بدین معنی که تنها می توانستند وجود یا فقدان را ذخیره کنند (به عنوان مثال اتفاق افتادن یک واقعه). دکتر Lu به همراه نویسنده اول این مقاله دکتر فهیم فرزاد فرد به دنبال ایجاد سیستمی برای ذخیره حافظه آنالوگ بودند که می توانست مشخص کند سلول در معرض چه مقدار مواد قرار گرفته و یا در چه مدتی این اتفاق افتاده است. برای رسیدن به این مقصود آنها یک ضبط صوت ژنومی را طراحی کردند که اجازه می داد محققین اطلاعات جدید را بر روی هر توالی DNA باکتریایی که مورد نظر است رونویسی کنند.

حافظه پایدار

جهت برنامه ریزی باکتری E.coli برای حافظه ذخیره شده، محققان MIT سلول های مهندسی شده ای ایجاد کردند که تولید آنزیم ریکامبیناز (recombinase) می کرد. این آنزیم می تواند DNA دو رشته ای و یا یک توالی خاص از DNA تک رشته ای را به ناحیه هدف در ژنوم اضافه کند. این در حالی است که  تولید این DNA تنها هنگامی اتفاق می افتد که به وسیله یک مولکول از پیش شناخته شده یا عامل دیگری مانند نور فعال شده باشد.

پس از تولید DNA، آنزیم ریکامبیناز DNA را در مکان از پیش برنامه ریزی شده در ژنوم سلول وارد می‌کند. دکتر Lu می افزاید:

" ما می توانیم آن را برای هر قسمتی از ژنوم هدف گیری کنیم و این دلیلی است که این فرآیند را به یک ضبط صوت تبدیل می کند زیرا می تواند به سمت هر بخشی که سیگنال وجود داشته باشد هدف گیری شود."

هنگامی که قرار گرفتن در معرض یک ماده خاص به وسیله این فرآیند ضبط می شود، این خاطره در طول زندگی جمعیت باکتریایی ذخیره شده و در طول نسل های مختلف منتقل می شود. روش های مختلفی برای بازیابی این اطلاعات وجود دارد. اگر DNA به بخش غیر عملکردی ژنوم وارد شده باشد، توالی یابی ژنوم مشخص خواهد کرد که خاطره در یک سلول خاص ذخیره شده است یا خیر. محققان همچنین می توانند توالی هایی را هدف قرار دهند که باعث تغییر یک ژن می شوند. برای مثال، توالی DNA جدید در این تحقیق باعث روشن شدن یک ژن مقاومت نسبت به آنتی بیوتیک شده و دانشمندان با اضافه کردن آنتی بیوتیک به محیط و مشاهده میزان بقا در بین سلول ها می توانند متوجه شوند چه تعداد سلول این خاطره را به دست آورده اند.

با اندازه گیری بخشی از سلول ها در جمعیت، که توالی DNA جدید را دارند محققان می توانند مشخص کنند این سلول ها در معرض چه مقدار مواد قرار گرفته اند و این عمل چه مدت به طول انجامیده است. در این مقاله محققان از سیستمی برای تشخیص نور، یک متابولیت لاکتوز به نام IPTG و یک مشتق آنتی بیوتیکی به نام aTc استفاده کرده اند اما Lu معتقد است این فرآیند می تواند به مولکول های متعدد دیگر و حتی سیگنال های تولید شده به وسیله سلول تعمیم داده شود.

این اطلاعات می توانند با تحریک سلول برای ثبت کردن بخش متفاوتی از DNA در همان ناحیه حذف شوند. این فرآیند در حال حاضر کاملا کارآمد نمی باشد اما دانشمندان مشغول کار برای بهبود آن می باشند.

دکتر Shawn Douglas از دانشگاه کالیفرنیا می گوید:

"این سیستم بسیار هیجان انگیز است زیرا قابلیت های مفید متعددی را در یک سیستم جمع کرده است: پایداری طولانی، آنالوگ بودن و فضای ذخیره ژنومی گسترده با امکان های دوباره خوانی متعدد. به جای استفاده از یک سلول به عنوان وسیله ذخیره سازی دیجیتال، فرزاد فرد و Lu از یک جمعیت سلولی به عنوان هارد ذخیره کننده آنالوگ استفاده کرده اند و به میزان قابل توجهی مقدار کلی اطلاعات قابل ذخیره و بازیابی را افزایش داده اند."

حسگرهای باکتریایی

کاربردهای محیطی چنین حسگرهایی شامل نظارت اقیانوس ها برای سطح دی اکسید کربن، اسیدیته یا آلاینده ها می شود. علاوه بر این، باکتری ها می توانند برای زندگی در دستگاه گوارش انسان ها طراحی شوند تا رژیم غذایی یک فرد مانند میزان قند یا چربی مصرف شده و یا التهاب حاصل از بیماری های روده ای را بررسی کنند.

دکتر Lu می گوید:

" این باکتری های مهندسی شده می توانند به عنوان کامپیوترهای زیستی نیز به کار روند. آنها می توانند برای محاسباتی که نیازمند فرآیندهای موازی متعددی است مانند جدا کردن یک الگو از یک تصویر به کار روند. به دلیل اینکه میلیاردها میلیارد سلول در یک لوله آزمایش می تواند موجود باشد و در حال حاضر می توانیم از بیشتر این جمعیت به عنوان اهرمی برای ذخیره اطلاعات و محاسبات استفاده کنیم، انجام محاسبات موازی به کمک این روش بسیار جالب خواهد بود. این فرآیند ممکن است زمانبر باشد اما می‌تواند از نظر انرژی بسیار کارآمد باشد."

یک کاربرد محتمل دیگر می تواند سلول های مغز مهندسی شده جانوران زنده یا سلول های انسانی باشد که در پتری دیش ها رشد داده شده و به محققان اجازه دنبال کردن بیان یک نشانگر بیماری یا فعال شدن یک نورون در زمان خاص را می دهد. دکتر Lu می‌افزاید:

" اگر بتوانید DNA درون یک سلول را به یک حافظه کوچک مستقل تبدیل کرده و سپس آن را به چیزی که برای شما ارزشمند است مرتبط سازید خواهید توانست این اطلاعات را ذخیره کرده و در هر زمان که خواستید بازیابی کنید."

منبع: Science

  • نویسنده : بهزاد دماوند
  • تاریخ انتشار : ۲۶-۰۸-۹۳