إن الڤيروسات المعاد تصميمها
ستساعد البيولوجيين على أن يعرفوا كيف يصنعون آلات جينية يعول
عليها. ويصور هذا الرسم كيف أعادت مجموعة في معهد ماساتشوستس
للتقانة (MIT) تشكيل جينومِ لاقمة البكتيرات T7.
|
لقد تم إنشاء كلتا الأداتين عبر إدخال متتاليات
دناوية DNA sequences
إلى الإشريكية القولونية E.
coli، وهي بكتيرة غير مؤذية في مِعَى الإنسان.
ولكن الأداتين أديتا وظائف مختلفة جدا. أما
إلويتْز> و
[اللذان كانا حينذاك في
جامعة پرنستون] فقد جمّعا assembled ثلاث جينات
متآثرة على نحو جعل الإشريكية القولونية تومض بصورة يمكن التنبؤ بها على شاكلة
أضواء شجرة عيد ميلاد مجهرية (انظر الإطار في الصفحة 15). وفي الوقت نفسه، صنع
و كانتور> و [من جامعة بوسطن] مفتاحا
(قاطعا) مفصليا جينيا(3) genetic
toggle switch.
وهنا تسمح عروة تغذية راجعة سالبة (وهي جينتان تتدخل كل منهما في عمل الأخرى)
للدارة المِفْصلية بالتقلب بين حالتين ثابتتين. وهذا يَهَب على نحو فعال كل
بكتيرة معدَّلةٍ ذاكرةً رقمية بدئية rudimentary
digital memory.
كانت هذه التجارب حافزة للبيولوجيين ذوي الأفكار
الهندسية، ولكنها كانت محبِطة لهم أيضا. فقد استغرق تكوين «المفتاح المفصلي» ما
يقرب من سنة، وتطلب الأمر ما يقرب من ضعف ذلك لإنشاء الميكروبات الوامضة. وما
من أحد كان يستطيع، مثلا، التماس طريقة لوصل هاتين الأداتين تضمن صنع بكتيرات
وامضة يمكن تشغيلها أو إطفاؤها.
وينوه <إندي> قائلا: «إننا نتمنى أن نكون قادرين
بصورة روتينية على تركيب منظومات انطلاقا من قطع جيدة التوصيف والتعامل.
وعندها، إذا طلب إلي أحد ما في المستقبل، مثلا، صنع متعضية حية (كائن حي) تقوم
بالعد حتى 3000 ثم تتجه يسارا، فإنني أستطيع أخذ الأجزاء التي أحتاج إليها من
فوق الرّف ثم أشبك بعضها ببعض وأتنبأ بكيفية أدائها.» لقد كانت مثل هذه الأجزاء
مجرد حلم منذ أربع سنوات، أما اليوم فإنها تملأ صندوقا على مكتب <إندي>.
البناء باستخدام لَبِنات
حيوية(***)
يقول <إندي>، وهو يحمل وعاء تملؤه خمسون قنينة
زجاجية صغيرة تحتوي على سائل عصيري صاف: «هذه أجزاء جينية. فكلٌ من هذه
الزجاجات يحوي نسخا من مقطع متميز من الدنا، إما أنه يؤدي وظيفة ما بمفرده وإما
يمكن أن تستخدمه خلية ما في صنع پروتين يفعل شيئا مفيدا. وما هو مهم هنا يتمثل
في أن كل جزء جيني تم تصميمه بعناية ليتآثر interact
جيدا مع أجزاء أخرى، وعلى مستويين.» فعلى المستوى الميكانيكي، يمكن تصنيع لبنات
بيولوجية BioBricks (حسبما تسميها مجموعة
MIT) فُرادى، ثم خزنها على نحو منفصل، ومن ثم
خياطتها معا لتشكل نُتفا bits من الدنا. وعلى
المستوى الوظيفي، يرسل كل جزء من هذه الأجزاء إشارات كيميائية حيوية ومعيارية
ويستقبلها. وبهذا يستطيع العالِم أن يغير سلوك تجميعةٍ
assembly ما بمجرد إحلال جزء محل جزء آخر في بقعة معينة.
نظرة إجمالية/ البيولوجيا
التركيبية(****)
•
كانت البيولوجيا الجزيئية ولاتزال إلى حد كبير علما مختزِلا يتقصى
عمل المنظومات الحية عن طريق تجزئة هذه المنظومات إلى مكوناتها.
•
وثمة عدد متنام من البيولوجيين التركيبيين ينتهجون مقاربة مختلفة،
فهم يبنون آلات حيوية من أجزاء دنا DNA
قابلة للتبادل Interchangeable.
وتعمل هذه الآلات داخل الخلايا الحية التي تزودها بالطاقة والمواد
الخام وبالقدرة على التحرك والتكاثر.
•
لقد أنتجت البيولوجيا التركيبية حتى الآن ميكروبات ذات تشكيلة
منوعة من قدرات غير طبيعية. فبعضها يُنتج مكونات كيماوية معقدة
تدخل في صناعة العقاقير، وبعضها الآخر يبني حموضا أمينية صنعية، أو
يزيل الفلزات الثقيلة من مياه النفايات، أو يؤدي عمليات بسيطة من
المنطق الثنائي.
|
ويضيف <إندي> قائلا: «إن المكونات القابلة للتبادل
interchangeable أشياء مسلم بها في أنواع الهندسة
الأخرى،» أما الهندسة الوراثية فمازالت في بداية الإفادة من قوة هذا المفهوم،
ويُعدّ التجريد abstraction إحدى مزاياه. فكما أن
مهندسي الكهرباء لا يحتاجون إلى معرفة ما يوجد داخل مكثفة
capacitor قبل استخدامها في دارة ما، فإن
المهندسين البيولوجيين يتمنون أن يكونوا قادرين على استعمال مفتاح مفصلي جيني
ما مع بقائهم سعداء بجهلهم معامِلات الوصل binding
coefficients والتراكيب الكيمياحيوية للحاضّات
promoters والكابتات
repressors والمفعِّلات activators
والمحرِّضات inducers والعناصر الجينية الأخرى
التي تشغّل المفتاح. فعلى سبيل المثال، تحتوي إحدى الزجاجات في صندوق <إندي>على
لَبِنة حيوية محوِّلة inverter (تدعى أيضا:
مُشغِّلة لائية NOT
operator). فحينما تكون إشارة دَخْل تلك المشغّلة عالية المقدار تكون
إشارة خَرْجها منخفضة المقدار، والعكس بالعكس. وثمة لبنة حيوية أخرى تؤدي وظيفة
«و» بوليانية(4) Boolean
AND بحيث لا تبث إشارة خرج إلا حينما تستقبل مستويات عالية من كلا
دَخْليها. ولأن الجزأين يتعاملان مع إشارات متوافقة، فإن ربطهما ينشئ مُشغِّلة
«لا ـ و» NAND operator.
ومن الناحية الافتراضية، فإن أي حوسبة ثنائية binary
computation يمكن إجراؤها بمشغلات من النمط «لا ـ
و» NAND.
وأبعد من التجريد، تقدم هذه الأجزاء العيارية مزية
قوية أخرى تتمثل في قابلية تصميم منظومة جينية وظيفية بدون معرفة دقيقة بكيفية
صنعها. ففي أوائل العام 2003 استطاع صف من 16 طالبا أن يوصّف في شهر واحد أربعة
برامج جينية لجعل مجموعات من خلايا الإشريكية القولونية تومض بتناغم واحد مثلما
تفعل حشرات اليراعة fireflies أحيانا. لم يكن
الطلبة يعرفون كيف ينشئون متتاليات الدنا ولكنهم لم يكونوا بحاجة إلى ذلك. هذا
وقد استأجر <إندي> شركة لتركيب الدنا بغية تصنيع 58 جزءا مطلوبا في تصاميم
الطلبة. وأضيفت هذه اللبنات الجديدة بعدئذ إلى سجل MIT
للأجزاء البيولوجية العيارية. واليوم، تُدْرِج قاعدة البيانات المباشرة هذه ما
يزيد على 140 جزءا، علما أن هذا العدد يتنامى كل شهر.
لقد صمم وكوَّن
(المصوَّرِ هنا) وآخرون غيره [في معهد ماساتشوستس للتقانة] ما ينوف
على 140 لَبِنة بيولوجية BioBricks [في القوارير الزجاجية]. وكل
لبنة بيولوجية هي قطعة من الدنا تؤدي وظيفة جيدة التوصيف تتآثر على
نحو جيد مع الأجزاء الجينية الأخرى.
|
اختطاف الخلايا(*****)
ومثلما كان من المفيد تطبيق دروس المجالات الأخرى
للهندسة على علم الوراثة، فإن التناظر analogy
يختل بعد حد معين. فالآلات الكهربائية والميكانيكية عادة ما تكون وحدات قائمة
بذاتها self contained،
وذلك لا يصح إلا لنخبة قليلة من الأدوات (النبائط)
devices. ففي أوائل العام 2004، على سبيل المثال، استنبط ستوجانوڤيتش> [من جامعة كولومبيا] أنابيب اختبار ذات جزيئات حيوية شبيهة تمثل
الصورة الكيميائية للعبة الأصفار وعلامات التصالب tic-tac-toe.
ولكن البيولوجيين التركيبيين synthetic
biologists مهتمون على نحو رئيسي ببناء أدوات
جينية داخل الخلايا الحية، بحيث تستطيع هذه المنظومات أن تتنقل وتتكاثر وتتآثر
interact مع العالم الحقيقي. فمن وجهة نظر الخلية
تُعَد هذه الأداة التي بداخلها طفيليا تقوم الخلية بتزويده بالطاقة والمواد
الخام والبنية التحتية الكيمياحيوية التي تحل (تفك) كود
decode الدنا إلى رنا مِرسال ثم إلى پروتين.
ولكن الخلية العائلة (الثَّويّة)
host cell تضيف
كذلك قدرا كبيرا من التعقيد. فقد أمضى البيولوجيون سنوات من العمل في النماذج
الحاسوبية للإشريكية القولونية ومتعضيات أخرى وحيدة الخلية(5). ومع ذلك يعترف
[من پرنستون] قائلا: «إذا أعطيتني متوالية الدنا الخاصة بمنظومتك الجينية،
فإنني لا أستطيع أن أخبرك بالذي ستفعله البكتيرات بها.» وفي الواقع يستذكر
<إندي>قائلا: «لم يكن من المستطاع مبدئيا تركيب نحو نصف الأجزاء الستين التي
صممناها في عام 2003، وذلك بسبب قتلها الخلايا التي كانت تنسخها. فكان علينا أن
نستنبط طريقة لتقليل العبء الذي يفرضه حمل الخلايا للدنا المركب واستنساخه.»
(ونذكر أن 58 جزءا من أصل الأجزاء الستين قد تم، في النهاية، إنتاجها بنجاح).
كيف يعمل جزء جيني(******)
يمكن لتجميعات
assemblies
من الجينات والدنا المنظِّم regulatory
أن تعمل كمكافئ كيمياحيوي للمكونات الإلكترونية التي تؤدي المنطق
البولياني Boolean
logic.
دارة
تربط دارة جينية
واحدة بين ثلاث محوِّلات، تحتوي كل واحدة منها على جينة مختلفة
(الجينات: 1 أو 2 أو 3). وتتذبذب هذه الجينات بين حالتي التشغيل
والإيقاف في أثناء سريان الإشارة عبر الدارة. ويتم ضبط السلوك عبر
جينة (في أقصى اليمين)
توقف بعض پروتين
الخرج الذي تولده جينات المحولة (الجينة 3) وتسبب الفلورة استجابة
لذلك.
مكوِّن
محوِّلة كيمياحيوية
تنفذ عملية «لا» بوليانية Boolean NOT
operation
استجابة لإشارة دَخْل على شكل پروتين تكوده جينة أخرى.
في حالة إيقاف
عند توافر پروتين
الدخل (الدخل 1=) تنطفئ جينة المحولة (الخرج 0 =).
في حالة تشغيل
عند غياب پروتين
الدخل (الدخل 0 =) تكون جينة المحوِّلة شغالة، فتولد پروتينها
المكوَّد (الخرج 1 =).
دارة في حالة عمل
تومض الخلايا
المحتوية على مثل هذه الدارة وتنطفئ على نحو متكرر (الرسم
البياني). ولكن من الناحية العملية، تومض الخلايا (التي جرى
تعديلها على نحو مطابق) في المستنبَت (الصورة) بمعدلات متفاوتة،
لأن الدارات الجينية أكثر ضجة وأقل قابلية للتحكم من الدارات
الإلكترونية.
|
ثمة طريقة للتعامل مع التعقيد الذي يضيفه الجينوم
الطبيعي للخلايا، تتمثل في تنحيته جانبا؛ إذ يمكن عزل الأداة الجينية داخل عروة
الدنا الخاصة بها مفصولة عن صبغي (كروموسوم) المتعضية الحية. ولكن هذا الفصل
الفيزيائي لا يشكل إلا نصف الحل فقط، بسبب عدم وجود أسلاك في الخلايا. فالحياة
تجري في «شيء رطب» wet-ware
ذي إشارات پروتينية تطوف عشوائيا من جانب إلى آخر. ويشرح <إندي> الأمر قائلا:
«وهكذا إذا كان لدي هنا محوِّلة ما مصنوعة من پروتينات ودنا، فإن إشارة
پروتينية موجَّهة إلى ذلك الجزء سوف تعمل أيضا على أي مثال آخر لتلك المحوِّلة
في أي مكان آخر في الخلية،» سواء كان واقعا في العروة الصنعية أو في الصبغي
الطبيعي.
وهناك طريقة للحيلولة دون الإشارات المتصالبة
crossed signals
تتمثل في تجنب استخدام الجزء نفسه مرتين. وقد أخذ <ڤايس> بهذا الأسلوب في إنشاء
دارة «حَوْذان»(6) جينية Goldilocks
genetic circuit،
وهي دارة تضيء في وجود مادة كيماوية مستهدفة، ولكن فقط إذا كان تركيزها غير
بالغ الارتفاع أو الانخفاض [انظر الشكل في الصفحة المقابلة]. وتندس داخل أجزاء
الدارة المختلفة أربع محوِّلات تستجيب كل منها لإشارة پروتينية مختلفة. بيد أن
هذه الاستراتيجية تجعل من الصعب تصميم أجزاء قابلة للتبادل ويستطاع إعادة
ترتيبها حقا.
ويقوم <إندي>حاليا باختبار محلول قد يفوق غيره
بالنسبة إلى بعض المنظومات. ويقول في هذا الشأن: «تَستخدم محوِّلتنا
inverter المكونات نفسها [التي في إحدى محولات
<ڤايس>] ولكن بترتيب مختلف. وهنا يكون الدَّخْل ليس پروتينا بل يكون إلى حد ما
معدَّلا rate، وبالتحديد يتمثل في مُعدل انتساخ
transcription جينة ما. فالمحولة تستجيب لكمية
الرناوات المرسالية messenger
RNAs التي يتم إنتاجها في كل ثانية. إنها تصنع
پروتينا، وهذا الپروتين يحدد سرعة الانتساخ الصادر [عن طريق تشغيل جينة ثانية].
وهكذا أبعث معلومات أحداث الانتساخ في الثانية الواحدة
transcription events
per second
TIPS ،
وأستقبل خَرْجا بمعلومات TIPS أيضا. إنها العملة
الشائعة، وهي تشبه تيارا في دارة كهربائية.» ومن حيث المبدأ، يمكن إزالة
المحوِّلة والاستعاضة عنها بأي لَبِنة حيوية تعالج دفقات المعلومات (TIPS).
ونشير إلى أن إشارات «التيپات» TIPS هذه متخصصة
الموقع، بحيث يمكن استخدام الجزء نفسه في بضعة مواقع في الدارة دون تداخل.
وقد جرى اختبار تقنية التيپات (TIPS)
هذه بوساطة طقم جديد من المنظومات الجينية صممه طلبة حضروا مقررا دراسيا شتويا
في المعهد M.I.T في الشهر 1/2004. وكان الهدف في
هذا العام برمجة خلايا تعمل متعاونة على تشكيل نماذج، مثل نقاط النقش في طبق
پتري. ولفعل ذلك يجب على الخلايا أن تتخاطب فيما بينها عبر إفرازها غاذِيات
nutrients كيماوية واستشعارها.
ويقول <إندي>: «إن منظومات هذه السنة (2004) تعادل
نحو ضعفيْ مقدار مشروعات عام 2003.» ونذكر أن الأمر استغرق ثلاثة عشر شهرا
لبناء تصاميم الإشريكية القولونية الوامضة ثم إدخالها في الخلايا. ولكن في
أثناء السنة المنقضية ازدادت حصيلتنا من اللبنات الحيوية، وقفز تركيب الدنا
DNA عاليا، واكتسب المهندسون خبرة تجميع الدارات
الجينية. وهكذا توقع <إندي>أن تكون تصاميم عام 2004 جاهزة للاختبار لعرضها في
مؤتمر البيولوجيا التركيبية في الشهر 6/2004.
تتكاثر الآلات الحية، ولكنها
تطفر في أثناء تكاثرها.
|
إعادة تأليف كتاب الحياة(*******)
لا شك أن العلماء الذين حضروا ذلك المؤتمر يقدرون
الصعوبة الحقيقية الكامنة في كيفية جعل قطعة ضئيلة نسبيا من الدنا تعمل على نحو
موثوق به داخل خلية تتغير باستمرار. فالآلات الحية تتكاثر، ولكنها تطفُر في
أثناء تكاثرها.
ويذكر <ڤايس>في هذا الصدد أن: «نَسْخ
replication الخلايا أبعد ما يكون عن الكمال. فقد
أنشأنا دارات وشاهدناها تطفر في نصف عدد الخلايا خلال خمس ساعات. وكلما كانت
الدارة كبيرة، كان ميلها للطفور أسرع.» وقد أوجد <ڤايس> و أرنولد> [من معهد كاليفورنيا للتقانة] دارات ذات أداء متطور باستخدام جولات
متعددة من التطفر يليها اصطفاء الخلايا الأكثر لياقة للمهمة المنشودة. ولكن إذا
تُرك الأمر بدون إشراف، فإن هذا التطور سوف يميل إلى تحطيم الآلات الجينية.
ويقترح <إندي> قائلا: «أود أن أصنع أداة مكوَّدة
جينيا، بحيث تقبل إشارة دَخْل input
signal، ثم تعد الأرقام: 3,2,1 ... حتى الرقم
256. وهذا الأمر ليس أعقد كثيرا مما نفعله نحن الآن، وسيتيح لك ذلك أن تكتشف،
بسرعة ودقة، أنماطا معينة من خلايا فقدت السيطرة على تكاثرها وصارت سرطانية.
ولكن كيف أقوم بتصميم عدّاد، بحيث يدوم تصميمه حين تصنع هذه الآلة نسخا عن
نفسها تحوي أخطاء؟ ليس لدي فكرة أو حل لذلك. قد يجب علينا أن نبني عددا وفيرا
منها يزيد على حاجتنا redundant، أو لعلنا نحتاج
إلى أن نجعل وظيفة العدّاد نافعة للخلية بطريقة ما.»
بل ربما سيكون على المهندسين أن يفهموا على نحو أفضل
كيف حلت أشكال الحياة البسيطة (مثل الڤيروسات) مشكلة الديمومة
persistence. وهنا أيضا يمكن أن تساعد البيولوجيا
التركيبية على ذلك، فقد أعلن .كريگ ڤِنْتَر> في الشهر 11/ 2003أن مجموعتهما، في معهد بدائل الطاقة
البيولوجية، أعادت تخليق لاقمة بكتيرات bacteriophage
(أي ڤيروس يصيب البكتيرات(7)) تدعى phiX174 من
العدم في ظرف أسبوعين فقط. ويمتلك هذا الڤيروس التركيبي، بحسب قول <ڤنتر>،
أزواج (أشفاع) قواعد(8) الدنا (البالغ عددها 5386) نفسها التي يمتلكها الڤيروس
الطبيعي وكذلك نشاطه نفسه.
بناء آلة جينية(********)
يمكن صنع مكشاف حي
للمادة TNT
يستطيع كشف الألغام الأرضية المدفونة، وذلك باستخدام دارات حَوْذان
Goldilocks
جينية لا تتفلور إلا حينما يكون تركيز المادة
TNT بالقدر الصحيح.
بناء مكشاف جيني للمادة
TNT
بالتزود بأجزاء
دناوية قابلة للتبادل، يستطيع المهندسون تجميع دارات مختلفة
اختلافا طفيفا. فإحدى هذه الدارات تتألق بلون أحمر ولكن فقط حينما
يكون تركيز المادة TNT
عاليا، في حين يمكن أن تتفلور دارة أخرى بلون أصفر مع التركيزات
المتوسطة من المادة TNT،
وتتوهج دارة ثالثة بلون أخضر عند التركيزات المنخفضة من تلك
المادة. ولهذه الغاية يقوم المهندسون بإدخال هذه الدارات داخل
ثلاثة مستنبتات بكتيرية منفصلة. وفي التربة التي تعلو اللَّغَم (في
الأسفل) تتناقص مادة TNT
بتدرج دائري. وهكذا فإن مزيج الخلايا المعدَّلة
altered سيولِّد شكل
عين ثور متفلورة تتمركز فوق اللغم.
مِكشاف TNT
قيد العمل
يستخدم أحد تصاميم
دارة الحَوْذان الجينية أربعة أجزاء متآثرة وهي: محس
sensor وعتبة عليا
upper threshold
وعتبة دنيا lower threshold
ومحوِّلة inverter.
ولكل جزء من هذه الأجزاء سلوكه المتميز؛ إذ إن كمية الخَرْج
الپروتيني الذي يولده تختلف باختلاف كمية پروتين الدَّخْل الذي
يستقبله. وفي الرسم التخطيطي (في الأسفل) الذي يخص دارة حمراء
التألق، توضح الرسوم البيانية كيف يعدل كل جزء خَرْجه فوق المدى
الكامل لتراكيز المادة TNT.
[ونشير إلى أن الأشكال الهندسية في هذا الرسم تعكس مستويات الخَرْج
حينما يكون تركيز المادة TNT
في مستواه «الحلو»، ولنقل 4 في المئة].
المحوِّلة
تحتوي على الجينات
التي لا تعبر عن الپروتينات المتفلورة إلا حينما تكون إشارات
الدَّخْل الصادر عن العتبتين (الواردتين في الأعلى) منخفضة، ويكون
دَخْلها (المُخَمَّسات) هو مجموع الإشارة الپروتينية المتولدة من
العتبة الدنيا ومعها الإشارة المتولدة من الجزء الأخير من العتبة
العليا. ولا يكون خرج المحوِّلة (أي الپروتين الأحمر المتفلور)
عاليا إلا حينما يكون دَخْلها منخفضا (عند تراكيز للمادة
TNT حول 4 في المئة).
العتبة العليا
تستقبل من المحس
الإشارة الأضعف، ويبدأ الخَرْج الصادر عن الجينة الأولى في هذا
الجزء بالانخفاض على نحو مثير ولكنه يظل عاليا حينما تكون مستويات
المادة TNT 4 في
المئة. أما الجينة التالية في هذه السلسلة فإنها ببساطة تقلب أي
إشارة تولِّدها الجينة الأولى مهما كان نوعها. وهكذا، فعند تركيز 4
في المئة من المادة TNT
ترسل العتبة العليا كمية قليلة جدا من الپروتين نحو الجزء التالي
لها (وهو المحوِّلة).
المِحَس
يبعث إشارتين
تتناسبان طردا مع كمية المادة TNT
داخل الخلية على وجه التقريب. ومن المهم أن الإشارتين غير
متساويتين؛ فعند مستوى 4 في المئة من المادة
TNT لا تولِّد إحدى
جينات المحس (باللون الأرجواني القاتم) إلا نصف كمية الپروتين
(المربعات) التي تولدها الجينة الأخرى (باللون الأرجواني الخفيف).
العتبة الدنيا
تبث نقيض إشارة
دَخْلها (المثلثات)، الذي هو الپروتين الذي يولده المحسُّ على نحو
وفير. ويبدأ خرج هذا الجزء بالتناقص الشديد عند مستويات للدنا
TNT تراوح حول 1
في المئة. أما عند مستوى 4 في المئة من المادة
TNT، فإن هذا الجزء لا
يكاد يولد أي پروتين يرسله إلى المحوِّلة.
|
الحياة، ولكن ليس تماما كما
نعرفها(*********)
لقد أخذت الحياة على
الأرض كمّاً هائلا من الأشكال، ولكن جميع أنواعها الحية تنبعث من
المكونات الجزيئية ذاتها، التي تتمثل في: خمسة نيوكليوتيدات تُشكل
لبنات بناء الدنا DNA
والرنا RNA،
إضافة إلى الحموض الأمينية العشرين التي هي لبنات بناء الپروتينات.
[وثمة حمضان أمينيان إضافيان على الأقل تصنعهما قلة من الأنواع
الحية الشاذة]. وتحدد هذه المكونات التفاعلات الكيميائية التي يمكن
أن تحدث داخل الخلايا، ومن ثم فهي تقيد ما يمكن أن تفعله الحياة.
لقد تم تخفيف ذلك
القيد في عام 2001، ربما لأول مرة خلال أكثر من ثلاثة بلايين سنة.
فبعد سنوات من المحاولة استطاع أخيرا وانگ> و شولتز> ومعاونوهما [في معهد سكرپس للأبحاث في لاهويا بكاليفورنيا]
أن يضيفوا إلى بكتيرة الإشريكية القولونية (E.
coli) جميع
المكونات الجينية التي تحل كود decode
التتالي الثلاثي النيوكليوتيدي
(TAG)(9)
للدنا وصولا إلى أنواع مختلفة من حموض أمينية غير طبيعية.
لقد كانت هذه خطوة
فاصلة ولكنها مرحلية، لأن الحموض الأمينية نفسها ذات استخدامات
قليلة نسبيا. فالهدف الحقيقي يتمثل في تحوير الخلايا بحيث لا تكتفي
بتركيب حموض أمينية صنعية فحسب، بل كذلك بحبكها مع الحموض الأمينية
الطبيعية من أجل صنع پروتينات لا يستطيع صناعتها أي شكل آخر من
أشكال الحياة. وقد أعلنت مجموعة <شولتز> في عام 2003 أنها حققت ذلك
تماما مع الإشريكية القولونية. كما ذكرت المجموعة ذاتها في الشهر 8
من ذلك العام تخليقها شكلا من الخميرة يحمل قُدرات مشابهة.
ويشير كروپ> [وهو بيولوجي من مختبر <شولتز>] إلى أن «آلية الترجمة [التي
تقرأ الرنا لتصنع پروتينات] في الخميرة تشبه جدا آلية الترجمة لدى
البشر. لقد أنتجنا حتى الآن ستة أصناف من حموض أمينية غير طبيعية
في الخميرة.» وقد شرع العلماء في تكييف هذه المنظومات لتعمل في
خلايا كلية الإنسان وفي الديدان الحلقية
roundworms.
ويضيف <كروپ>: «إننا قريبون جدا من الحصول على منظومة تستطيع أن
تصنع حمضيْن غير طبيعيين مختلفين، ثم تدخلهما في الپروتين ذاته،
وهذا أمر بالغ الصعوبة، لأن الخلية كي تفعل ذلك يجب عليها أن تحل
كود متتالية للدنا مؤلفة من أربعة نيوكليوتيدات،» وهذا شأن، كما
يعرف، الجميع لم تفعله بعد خلية على الإطلاق.
ويقترح ديڤيز> [من مؤسسة جنوب كاليفورنيا للأبحاث في لاهويا] قائلا: «قد
يستحث هذا الإنجاز تطويرات ذات إمكانات حيوية طبية نفيسة جدا.» فهو
يتصور كريات دم بيضاء تستطيع صنع پروتينات مستحدثة لتدمير
المُمْرِضات (العوامل الممرضة) pathogens
أو الخلايا السرطانية بسرعة كبيرة. ويقول <كروپ> إن هذه التقانة
تقوم الآن بإنتاج أدوات بحثية، مثل الپروتينات التي تتضمن حموضا
أمينية متفلورة، أو تلك التي تغير سلوكها حين تعرضها للضوء؛ ثم
يعلق <كروپ>: «إنها تسمح لنا بربط پوليمرات بپروتينات علاجية
تجعلها أفضل عملا كعقاقير.»
وكذلك انخرط
البيولوجيون التركيبيون، بكل همة ونشاط، في «العبث» بأشكال غير
طبيعية من الدنا. فقد أوجد بينَر> ورفاقه [في جامعة فلوريدا] ألفبائية جينية ذات ستة أحرف منذ
ما ينوف على عقد من الزمن، وقد استُخدمت مؤخرا لإيجاد اختبار سريع
لڤيروس السارس SARS.
ويقول
زوستاك> [من مستشفى ماساتشوستس العام] «إننا نتعامل الآن مع ضرب من
الدنا يدعى TNA
(حيث حل محل الريبوز سكرٌ أبسط منه بقليل).» ويعد هذا الضرب من
الدنا، وكذلك الxDNA
الذي كوّنه كول> [من جامعة ستانفورد]، أكثر استقرارا من الدنا، الأمر الذي
يجعلهما أكثر ملاءمة كوسط لإعادة برمجة الخلايا. ولكن سيكون على
العلماء بادئ ذي بدء أن يجعلوهما صالحيْن للعمل داخل
المُتَعَضِّيات (الكائنات) الحية.
السُلم اللولبي للدنا DNA [فوق،
إلى اليسار ـ كما يُرى في منظر جانبي ومن أعلاه] قد لا يكون هو
الجزيء العملاق macromolecule الوحيد القادر على اختزان الصور
الأصلية blueprints للمتعضيات الحية. فالعلماء يُجرون تجاربهم على
حموض نووية شبه صُنعية، من قبيل xDNA [في اليمين]، تكون أكثر ثباتا
من الدنا، ومن ثم أقل تعرضا للطفور.
|
|
يقول <ڤنتر>، الذي قاد لبضع سنين مشروعا لتحديد أصغر
مجموعة جينات مطلوبة لِبُقْيا(10) البكتيرة Mycoplasma
genitalium: «أصبح تركيب صبغي (كروموسوم) كبير
أمرا ممكنا. أما ما لا نعرفه فيتمثل فيما إذا كنا نستطيع أن نُدخل ذلك الصبغي
إلى خلية وأن نحوّل منظومة تشغيل هذه الخلية لتعمل بحسب تعليمات الصبغي الجديد.
سيكون علينا فهم الحياة عند أعمق مستوياتها الأساسية، وما أبعدنا عن بلوغ ذلك.»
إن تخليق ڤيروسٍ ما حرفا بحرف لا يكشف الكثير عن
ماهيته، ولكن ماذا لو تم تحليل الجينوم إلى جيناته المكوِّنة له، ثم أعيد
تجميعها على نحو منهجي يفهمه مهندسو البيولوجيا التركيبية؟ وهذا بالذات ما
يفعله <إندي>وزملاؤه فيما يخص لاقمة البكتيرات T7.
ويروي <إندي>قائلا: «لقد أعدنا بناء اللاقمة T7؛
لا بإعادة تركيبها فحسب، بل بإعادة هندسة جينومها ثم تركيبه.» وها هم العلماء
يفصلون الجينات المتراكبة ويستبعدون الفوائض الزائدة عن الحاجة وهلم جرا. ولقد
استكملت المجموعة نحو 11500 من القواعد حتى الآن، وتتوقع إنجاز القواعد
المتبقية، البالغة 30 000 زوج (شفع) مع نهاية هذا العام (2004).
آخر مراحل اختبار الحياة
التركيبية(**********)
لقد نجح البيولوجيون التركيبيون حتى الآن في بناء
منظومات جينية حية تصلح كتجارب مختبرية أو تحضيرات للعرض. بيد أن عددا من
مختبرات الأبحاث شرع يعمل في المجالات التطبيقية؛ فقد تحول فوسينگر> وزملاؤه [في ETH
Zurich] من العمل على البكتيرات إلى العمل على الثدييات، فهم قد عمدوا
في عام 2003 إلى تشريب خلايا الهامستر بشبكات من جينات ذات نوع من التحكم
الحجمي؛ بمعنى أن إضافة كميات صغيرة من مضادات حيوية (صادَّات)
antibiotics مختلفة قد جعل مقدار إنتاج الجينات
التركيبية فيها قليلا أو متوسطا أو كثيرا. ويمكن للتحكم في التعبير الجيني
gene expression
بهذه الطريقة أن يثبت فائدته في العلاجات الجينية وفي تصنيع الپروتينات
الصيدلانية.
من المحتمل أن تحظى الآلات الحية بأول استخداماتها
في المهمات التي تتطلب كيمياء حاذقة، مثل استكشاف الذيفانات (التوكسينات) أو
تركيب العقاقير. ففي عام 2003 ابتكر
[من جامعة ديوك] طريقة لإعادة تصميم redesign
پروتينات محساسية sensor طبيعية في الإشريكية
القولونية، بحيث تستطيع هذه الپروتينات أن تعلق بالمادة
TNT أو بأي مركب آخر يعنينا بدلا من أهدافها
targets الطبيعية. ويقول <ڤايس>إنه ناقش مع <هيلينگا> موضوع دمج دارة
حَوْذانٍ جينية Goldilocks
genetic circuit مع محس <هيلينكا> بغية
صنع مِكْشافات للألغام الأرضية.
«الناس في هذا الصف سعداء، ويقيمون أشياء جيدة بنّاءة بدلا
من أنواع جديدة
من الڤيروسات أو الأسلحة البيولوجية.»
إندي> المعهد [M.I.T]
ويذكر ـ
الذي أنشأ مؤخرا قسما للبيولوجيا التركيبية في مختبر لورانس بيركلي الوطني (LBNL)
ـ أن مجموعته هندست شبكة كبيرة من جينات نبات الأرتيميزيا (الشّيح الرومي)
والخميرة داخل الإشريكية القولونية. وهذه الدارة تمكن البكتيرة من صنع طليعة
كيماوية للأرتيميزينين artemisinin، وهو عقار
مضاد للملاريا من الجيل التالي، باهظ الثمن حاليا بالنسبة إلى دول العالم
النامي التي هي في أمس الحاجة إليه.
ويقول <كيسلنگ> إن ثلاث سنوات من العمل قد زادت
الحصيلة مليون مرة. وبزيادتها من 25 إلى 50 ضعفا آخر سنكون، حسبما يقول،
«قادرين على إنتاج كوكتيلات عقاقير ثنائية مبنية على الأرتيميزينين لصالح
العالم الثالث وبعُشْر السعر الحالي.» هذا ويمكن بتحويرات بسيطة نسبيا تغيير
البكتيرات المهندَسة، بحيث تنتج كيماويات غالية الثمن تستخدم في العطور
والمنكِّهات وعقار السرطان المعروف باسم تاكسول Taxol.
واليوم يستخدم علماء آخرون في المختبر
LBNL الإشريكية القولونية للمساعدة على التخلص من
النفايات النووية ومن الأسلحة الكيماوية والبيولوجية كذلك. فثمة فريق يقوم
بتحوير حس «الشم» لدى البكتيرات، بحيث تسعى نحو عامِل أعصابٍ ما مثل
VX وتهضمه. ويقول <كيسلنگ>: «لقد هندسْنا
الإشريكية القولونية والپسودوموناس أيروجينوسا (الزائفة الزنجارية)
Pseudomonas aeruginosa،
بحيث ترسِّب الفلزات الثقيلة واليورانيوم والپلوتونيوم على جُدُرها الخلوية.
وحالما تُراكم هذه الخلايا تلك الفلزات، تترسب تاركة مياه صرف صحي معالجة.»
إنها جميعا أهداف قيمة، ولكن إذا ما انتابك شيء من
الانزعاج حينما تفكر في أن طلبة لم يتخرجوا بعد يُخلِّقون أنواعا جديدة من
الجراثيم، وأن مختبرات خاصة تركّب ڤيروسات، وأن بعض العلماء ينشرون أبحاثا عن
كيفية استخدام البكتيرات في جمع الپلوتونيوم، فإنك لن تكون وحيدا في الميدان.
في عام 1975 طالب بيولوجيون بارزون بفرض حظر مؤقت
على استخدام تقانة الدنا المؤشب recombinant-DNA،
وعقدوا مؤتمرا في قاعة مؤتمرات أسيلومار بكاليفورنيا لمناقشة كيفية تنظيم
استخدام تلك التقانة. ويبدو أن الرقابة الذاتية قد نجحت؛ إذ لم يحدث عارض رئيسي
واحد من استخدام المتعضيات (الكائنات) الحية المهندسة وراثيا، ولكن <إندي>
يستدرك قائلا: «لقد ظهرت ثلاثة أشياء غيَّرت المشهد: أولا، أصبح الآن بإمكان أي
فرد أن ينسخ download متتاليات الدنا الخاصة
بجينات ذيفان الجمرة الخبيثة (الأنثراكس) أو تلك الخاصة بأي عدد من الأشياء
السيئة. وثانيا، غدا باستطاعة أي فرد شراء الدنا التركيبي من شركات تعمل عبر
الساحل off-shore،
وثالثا، أصبحنا اليوم أشد خشية من ذي قبل من سوء التطبيق المتعمد.»
إذًا، كيف يواجه المجتمع بطريقة ما أخطار كل تقانة
جديدة بدون حرمان نفسه من جميع فوائدها؟ ويوحي <إندي>بهذا الصدد بأن «الإنترنت
شاهد على ذلك، إذ توجد أعداد من الناس ممن يريدون استمرار هذه التقانة تفوق
أعداد من يريدون زوالها.» وهو يبرز صورة فوتوگرافية لصف الطلبة الذين كان
يعلمهم في عام 2003، ثم يتابع قائلا: «انظروا كيف أن الناس في هذا الصف سعداء،
ويقيمون أشياء جيدة بناءة بدلا من أنواع جديدة من الڤيروسات أو الأسلحة
البيولوجية. وفي النهاية، نحن نتعامل مع أخطار التقانة البيولوجية عن طريق خلق
مجتمع يستطيع استخدام هذه التقانة على نحو بنّاء.»
ولكن <إندي> يعتقد كذلك أن عقد اجتماع يتصدى لمشكلات
محتملة أمر معقول. فهو يقول: «أظن أنه من المناسب تماما عقد اجتماع مثل اجتماع
أسيلومار لمناقشة الحالة الراهنة والمستقبلية للتقانة البيولوجية.» وفي الشهر 6
/ 2004 يُفترض أن زعماء هذا الميدان ـ في أثناء اجتماعهم لتبادل أحدث الأفكار
في شأن ما يمكن تكوينه ـ كرسوا كذلك بعض فكرهم فيما لا يجوز تكوينه.
حياة تركيبية(*) يُشيّد البيولوجيون الآن مكتبات من أجزاء الدنا القابلة للتبادل ويجمِّعونها داخل ميكروبات بقصد تكوين آلات حية قابلة للبرمجة.
اليوم في 8:33 am من طرف