زیست‌شناسی مصنوعی: تبدیل سلول‌ها به رایانه‌های بیولوژیکی میکروسکوپی

ریشه های زیست شناسی مصنوعی تنها به هشت سال قبل بازمی گردد، و این رشته آنقدر جدید است که هنوز تعریف مشخصی ندارد. از یک طرف، می توان آن را از منظر میکروسکوپی و بنیادی - تا حدی نزدیک تر با شیمی - به عنوان سنتز مولکول های جدید و مهم بیولوژیکی (به عنوان مثال، نوکلئوتیدها) در نظر گرفت. متناوبا، می توان آن را در سطح ارگانیسم در نظر گرفت، که به عنوان ایجاد اشکال جدید زندگی (مانند ویروس ها) درک می شود.

حوزه بین این دو حوزه تحقیقاتی توسط زیر رشته ای اشغال شده است که "امیدبخش تر است، زیرا می تواند به ما کمک کند تا سیستم های زنده را درک کنیم، با تمرکز بر ایجاد مدارهای ژنتیکی جدید - قالب هایی برای ژن ها و جوردی گارسیا اوجالوو توضیح می‌دهد که پروتئین‌هایی که توسط فعل و انفعالات پیچیده به هم متصل می‌شوند – که می‌توانند به سلول‌ها ادغام شوند تا عملکردشان را از آنچه در بافت اصلی خود انجام می‌دهند، تغییر دهند، و استانداردسازی این مدارها به طوری که بتوان آنها را با هم ترکیب کرد. محقق دپارتمان فیزیک و مهندسی هسته ای که در پردیس UPC در تراسا کار می کند.

یکی از اهداف فعلی محققان زیست شناسی تعیین عملکرد مدارهای ژنتیکی است که فعالیت سلول را تنظیم می کند، مشکلی که می توان با اتخاذ رویکردی برگرفته از مهندسی آن را حل کرد. همانطور که گارسیا اوجالوو توضیح می‌دهد، «اگر می‌خواهید بفهمید چیزی چگونه کار می‌کند، یعنی اینکه سلول چگونه یک کار خاص را انجام می‌دهد، مداری بسازید که همان کار را انجام می‌دهد.از نظر او، «علم سخت» که عمدتاً شامل مطالعه ماده بی اثر است، می تواند نقش مهمی در مطالعه ماده زنده نیز ایفا کند.

یک محقق با پیشینه در علوم سخت که نحوه عملکرد این مکانیسم ها در انواع دیگر سیستم ها را درک می کند، مهارت های لازم برای انتخاب مدار، ایجاد یک مدل ریاضی با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری و تجزیه و تحلیل عملکرد آن را دارد. این امر تعیین شرایط مورد نیاز یک مدار برای انجام یک کار خاص را ممکن می سازد. علاوه بر این، تعدادی از تکنیک‌ها و دستگاه‌های مورد استفاده در زیست‌شناسی مصنوعی به تخصص فیزیکدانان و مهندسان نیاز دارند، برای مثال، اطمینان از اینکه سلول‌ها در محیطی با دقت تنظیم شده (کنترل میکروسیال) اداره می‌شوند و درجه بالایی از دقت نوری را ارائه می‌دهند. دانش و داده هایی که زیست شناسان سنتی می توانند ارائه دهند نیز مهم است. به این ترتیب، زیست شناسی مصنوعی به طور گسترده ای ذاتاً بین رشته ای در نظر گرفته می شود.

اگرچه این شاخه جدیدی از مطالعات علمی است، دانشمندانی که در زیست شناسی مصنوعی کار می کنند مجبور نبودند از صفر شروع کنند و توانسته اند از دهه ها کار انجام شده در زمینه هایی مانند مهندسی ژنتیک، زیست شناسی مولکولی و … استفاده کنند. اخیراً، زیست شناسی سیستمی.نقاط عطف خاصی که به توسعه زیست شناسی مصنوعی کمک کرده اند عبارتند از: کشف پروتئین فلورسنت سبز و استفاده از آن به عنوان نشانگر در تجزیه و تحلیل فرآیندهای مختلف در تمام زمینه های زیست شناسی، که اکنون یک تکنیک استاندارد است که دانشمندان را قادر می سازد تا پاسخ ها را مشاهده کنند. سلول های فردی به اقدامات مختلف و نظارت بر وضعیت آنها در زمان واقعی.

نسخه پیشرفته از طبیعت

یکی از جدیدترین جنبه های این رشته ظرفیت ذاتی آن برای یک مفهوم کلیدی است: استانداردسازی. برای مقایسه با الکترونیک، به همان روشی که یک هارد دیسک را می توان به هر کامپیوتری متصل کرد، بنابراین مدارهای ژنتیکی را می توان در هر سلولی ادغام کرد تا کار خاصی را انجام دهد.

با توجه به مشکلات تجزیه و تحلیل مدارهای ژنتیکی پیچیده موجود در طبیعت، زیست شناسی مصنوعی یک رویکرد جایگزین برای این مشکل ارائه می دهد: ساده ترین مدارهای ممکن را بسازید، نحوه عملکرد آنها را تعیین کنید، و سطح پیچیدگی را مرحله به مرحله افزایش دهید.از آنجایی که تحقیقات از این نوع بر مدارهای ساده متمرکز است که فقط شامل دو یا سه ژن می شود، می توان مدل های ریاضی را توسعه داد که نه تنها قادر به پیش بینی رفتار سلول از نظر میزان تولید پروتئین هستند، بلکه می توانند پویایی خاصی را نیز القا کنند.

این اولین بار در سال 2000 توسط یک گروه تحقیقاتی به کارگردانی مایکل الوویتز در موسسه فناوری کالیفرنیا (C altech)، که اولین نوسانگر یا ساعت ژنتیکی مصنوعی را ساخت، به دست آمد. این پیشرفت، که به طور موثر آغاز زیست شناسی مصنوعی را به عنوان یک رشته مشخص کرد، نشان داد که سلول ها دارای یک "ساعت" داخلی هستند که آنها را قادر می سازد زمان را محاسبه کرده و همزمان برای انجام اقدامات از پیش تعیین شده به طور همزمان انجام دهند.

از آن زمان، تحقیقات در این زمینه در اسپانیا به طور مشترک با گروه هایی مانند گروه تحقیقاتی UPC در دینامیک غیرخطی، اپتیک غیرخطی و لیزر (DONLL)، مستقر در پردیس Terrassa، با هماهنگی Ramon Vilaseca و توسط محققانی از جمله گارسیا اوجالوو شکل گرفت.این گروه شش سال را صرف کار در زمینه‌های زیست‌شناسی مصنوعی و زیست‌شناسی سیستمی کرده است، ابتدا بر تئوری تمرکز کرده و سپس در دو سال گذشته به سمت کارهای تجربی رفته‌اند. پژوهشی که با همکاری گروه Elowitz در C altech و گروهی با هماهنگی Gurol Suel از مرکز پزشکی جنوب غربی دانشگاه تگزاس در دالاس انجام شد، بر درک فرآیندهای تمایز (مانند تغییرات حالت) در باکتری‌ها تمرکز دارد، که ارگانیسم‌های مدلی هستند که می‌توان از آنها استفاده کرد. بررسی عملکردهای انجام شده در موجودات پیچیده تر.

تیم DONLL همچنین با یک گروه تحقیقاتی هماهنگ شده توسط آلفونسو مارتینز آریاس، از دانشگاه کمبریج، کار می کند تا فرآیندی را که توسط آن سلول های بنیادی جنینی چند پتانسیل را حفظ می کنند، که مکانیزمی است که از طریق آن ظرفیت را حفظ می کنند، درک کنند. به هر نوع سلولی تمایز می یابد. در این زمینه خاص، محققین فی نفسه از زیست شناسی مصنوعی استفاده نمی کنند - برای مثال آنها مدار نمی سازند - بلکه سعی می کنند نحوه عملکرد مدارهای طبیعی را تجزیه و تحلیل کنند.اگرچه کار گروه DONLL هنوز در یک برنامه خاص مورد هدف قرار نگرفته است، هدف کلی توسعه قابلیت کنترل رفتار سلول به صورت خارجی است.

درک سیستم های زندگی

یکی از قابل توجه ترین جنبه های زیست شناسی مصنوعی، از نظر بسیاری از محققان، این است که می تواند به ما در درک بهتر موجودات زنده کمک کند. بنابراین می‌تواند به ابزاری اساسی برای درک ماشین‌های سلولی تبدیل شود، زیرا طیف وسیعی از وظایف را نشان می‌دهد که می‌تواند توسط اجزای مسئول عملکردهای بیولوژیکی انجام شود. دانشمندانی که در این رشته کار می‌کنند، با استفاده از مدل‌هایی برای پیش‌بینی‌هایی که می‌توانند در شرایط آزمایشگاهی آزمایش شوند، به طور کلی می‌توانند رویکرد کمی تری به زیست‌شناسی داشته باشند.

چالش پیش روی محققان زیست شناسی مصنوعی قابل توجه است، به ویژه اگر در نظر بگیریم که ژنوم انسان شامل سی هزار ژن و یک سلول حاوی حدود یک میلیون پروتئین است.با این حال، یک سلول چیزی بیش از مجموع اجزای آن است و عملکردهای آن باید با در نظر گرفتن ترکیب پیچیده اجزای درگیر تفسیر شود، زیرا ژن ها و پروتئین های سازنده ژنوم توسط میلیون ها اتصال فردی به هم مرتبط هستند.

در حال حاضر، هدف این رشته صرفاً ارضای کنجکاوی ما، افزایش تدریجی درک علمی از پتانسیل تعامل بین ژن ها و پروتئین ها، و تعریف و مشخص کردن جریان اطلاعاتی است که یک فرآیند بیولوژیکی را آغاز می کند.

زیست پالایی

وقتی از کارشناسان در مورد انتظارات آنها در مورد توسعه زیست شناسی مصنوعی پرسیده شد (یکی از کاربردهای اصلی آن احتمالاً زیست پزشکی است) ، کارشناسان پیشنهاد می کنند که کاربردهای کوتاه مدت زیادی تولید نخواهد کرد. با این وجود، نمونه های قابل توجهی در زمینه سنتز دارو وجود دارد: تیمی از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در کالیفرنیا باکتری E را بازسازی کرده است.coli مدار ژنتیکی مسئول سنتز پیش ساز داروی ضد مالاریا آرتمیزینین است که باید منجر به تولید ارزانتر و کارآمدتر شود.

محیط زیست ممکن است زمینه بعدی برای بهره مندی از پیشرفت های زیست شناسی مصنوعی باشد. به عنوان مثال، در حال حاضر کار برای طراحی میکروارگانیسم های کارآمدتر برای آلودگی زدایی اکوسیستم ها (زیست پالایی) در حال انجام است. محققان همچنین در حال توسعه دستگاه‌های حسگر زیستی هستند که قادر به تشخیص مواد و میکروارگانیسم‌های هدف و تعامل با آنها هستند.