خلايا “الزومبي” تم إنشاؤها عن طريق زرع الجينوم في البكتيريا الميتة

تم تصنيع خلية اصطناعية حية عن طريق زرع جينوم كامل في بكتيريا ميتة، وإعادتها إلى الحياة. يمكن أن يساعد هذا الاختراق البيولوجيا التركيبية على الوفاء بوعدها الضخم، ولكن لا يزال بعيدًا، المتمثل في هندسة الكائنات الحية لإنتاج وقود مستدام وأدوية ومواد جديدة.

تتضمن البيولوجيا التخليقية تعديل الأنظمة البيولوجية أو إنشاء أنظمة جديدة لتقديم وظائف جديدة، مثل إعادة كتابة الحمض النووي للخميرة حتى تتمكن الكائنات الحية من إنتاج مواد كيميائية مرغوبة. في محاولة لصنع ميكروبات هندسية أكثر تنوعًا، قام الباحثون في عام 2010 بتركيب جينوم بكتيري ثم زرعه في خلية حية، مما أدى إلى إنشاء ما أطلقوا عليه أول خلية اصطناعية.

ولكن كانت هناك مشكلة. كان من الصعب للغاية التأكد مما إذا كانت الخلية تخضع حقًا للجينوم الاصطناعي بدلاً من الجينوم الأصلي، لأن البكتيريا في كثير من الأحيان تمتص المادة الوراثية من البيئة وتضيفها إلى جينوماتها الخاصة في عملية تسمى نقل الجينات الأفقي.

للتغلب على هذه المشكلة، قرر جون جلاس – من معهد جي كريج فينتر (JCVI) في لا جولا، كاليفورنيا – وزملاؤه قتل الخلية المضيفة أولًا – أو على الأقل جينومها.

ولجأ الباحثون إلى مادة كيميائية تسمى ميتوميسين سي، تستخدم كدواء للعلاج الكيميائي لقتل الخلايا السرطانية عن طريق إتلاف الحمض النووي الخاص بها، وجربوها على خلايا البكتيريا البسيطة. الميكوبلازما كابريكولوم.

تقول عضوة الفريق زومرا سايدل، التي تعمل أيضًا في مركز JCVI: “لا تزال الخلية سليمة، لكن بما أنها لم تعد قادرة على التكاثر ولم يعد الجينوم فعالًا، فمن المقدر لها أن تموت أو أنها ماتت بالفعل”.

بعد ذلك، أضافوا نسخة اصطناعية من جينوم بكتيريا أخرى، الميكوبلازما mycoidesإلى الخلايا الميتة باستخدام تقنية يسمونها زرع الجينوم الكامل.

وبدأت بعض البكتيريا في النمو والانقسام بشكل طبيعي وأظهرت الاختبارات الجينية أنها تحمل الجينوم الاصطناعي. وهذا يجعلها أول خلايا بكتيرية حية اصطناعية مبنية من أجزاء غير حية، كما يقول الباحثون، الذين يطلقون عليها اسم “خلايا الزومبي” لأنها يتم إحياؤها بعد الموت.

يقول جلاس: “نأخذ خلية بدون جينوم فتموت وظيفيًا. ولكن بإضافة جينوم جديد، يتم إحياء تلك الخلية”.

كيت أدامالا من جامعة مينيسوتا تصف هذا العمل بأنه اختراق تقني. وتقول: “إنهم يضعون حمولة الجينوم في مستلم غير حي، لذلك لا يحصلون على أي مساعدة من آليات الإصلاح الخاصة بالمضيف. لقد قاموا أساسًا بإعادة تشغيل تلك الخلية احتياطيًا”. “إنه عمل رائع.”

يقول أدامالا، إنه يطمس أيضًا الخط الفاصل بين الحياة واللاحياة. “إن نموذج العمل لأي خلية حية مناسبة هو التمثيل الغذائي والتكرار. وأصبحت هذه الوظائف هي السمة المميزة للحياة. المتلقي [cell’s genome] في هذا لا يفعل سوى القليل جدًا من عمليات التمثيل الغذائي المتبقية وبالتأكيد لا يتكرر. ما هي إذن السمة الحقيقية للحياة؟

تشير عضوة الفريق إليزابيث ستريشالسكي، من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في جايثرسبرج بولاية ميريلاند، إلى أن علم الأحياء قد يعمل بشكل روتيني عبر حدود يسهل اختراقها بين الحياة والموت. “آمل أن يدفع هذا الناس إلى التفكير في كيف أن الحياة عبارة عن سلسلة من العمليات، وإذا أضفنا عقلية هندسية إلى ذلك، فيمكننا أن ننظر إلى نظام حياتنا ونسأل ما هي العمليات التي نحتاجها حقًا لتحقيق الهدف النهائي الذي نحاول تحقيقه.”

حتى الآن، تم تجربة هذه التقنية فقط الميكوبلازمالكن الفريق يرى أنه دليل على المبدأ الذي يمكن أن يمكّن من إنشاء كائنات اصطناعية بشكل أسرع للعمل كمصانع كيميائية صغيرة، أو صنع أدوية علاجية، أو إجراء علاجات بيئية.

يقول ستريشالسكي: “لفترة طويلة، كانت لدينا القدرة على تجميع قطع كبيرة جدًا من الحمض النووي الاصطناعي، لكننا لم نتمكن من إيصالها إلى مكان حيث يمكنهم القيام بأشياء مفيدة”. “يشبه الأمر أن يكون لديك نص لمسرحية لشكسبير، ولكنك لا تستطيع أن تؤديه فعليًا.”

يقول أكوس نيرجيس من كلية الطب بجامعة هارفارد إن هذا العمل يعالج تحديًا كبيرًا في البيولوجيا التركيبية. ويقول: “هذه التكنولوجيا تجعل نقل الجينوم استراتيجية أكثر موثوقية ويمكن التنبؤ بها، الأمر الذي قد يفتح الكثير من تطبيقات المتابعة في الأنواع الأخرى”.

التحرك نحو كائنات أكثر تعقيدًا مثل الخميرة أو الإشريكية القولونية قد يكون الأمر صعبًا، لأن هذه الكائنات الحية لديها جدار خلوي، والذي الميكوبلازما وجينومات أكبر حجمًا، لكن جلاس متفائل بأن التقنية ستنجح فيها أيضًا.

ويقول: “إذا نجح هذا مع نوع واحد من الكائنات الحية، فمن المرجح أن ينجح مع نوع آخر”، ويبحث مختبره في طرق إزالة جدران الخلايا واستبدالها. “في ظروف النمو الصحيحة، الإشريكية القولونية يقول: “سيصنع جدارًا خلويًا جديدًا”.

ويقول نيرجيس إن هناك دائمًا احتمال حدوث مشكلات تتعلق بالسلامة الحيوية في البيولوجيا التركيبية. ال الميكوبلازما الأنواع المستخدمة في الدراسة هي مسببات الأمراض في الماعز والماشية، لكنه يقول إنه من غير المتوقع أن تؤدي أي من التعديلات إلى زيادة الفوعة.

يقول ستريشالسكي إن أفضل الممارسات المعملية الحالية تضمن تقليل خطر هروب مسببات الأمراض إلى الحد الأدنى.