گامی به‌سوی سلول‌های مصنوعی با عملکرد واقعی

به گزارش سرویس ترجمه ایمنا، محققان دانشگاه بریستول از باکتری‌ها برای کمک به توسعه سلول‌های مصنوعی پیشرفته‌ای استفاده کردند که عملکرد واقعی سلول‌ها را تقلید می‌کند که این اقدام آن‌ها را یک گام به‌سمت تولید سلول‌های مصنوعی با عملکرد واقعی نزدیک‌تر کرد. محققان در این مطالعه به‌منظور تکرار دقیق‌تر ترکیب، ساختار و عملکرد سلول‌های زنده به توسعه سلول‌های مصنوعی یا پروتوسل‌ها پرداختند.

ایجاد عملکرد واقعی در پروتوسل‌ها یک چالش بزرگ جهانی و شامل چندین زمینه از منشأ تحقیقات در مورد زندگی گرفته تا زیست‌شناسی مصنوعی از پایین به بالا و مهندسی زیستی است. با وجود شکست‌های قبلی در مدل‌سازی پروتوسل‌ها با استفاده از میکروکپسول‌ها، تیم تحقیقاتی این بار برای ساخت سلول‌های مصنوعی پیچیده با استفاده از فرآیند مونتاژ مواد زنده، به باکتری‌ها روی آوردند.

زیست‌شناسی مصنوعی از پایین به بالا

زیست‌شناسی مصنوعی از پایین به بالا در مهندسی معکوس یک عملکرد بیولوژیکی خاص با استفاده از حداقل مجموعه‌ای از اجزای مولکولی، مانند پروتئین‌های خالص‌شده است که می‌تواند روی انواع مختلفی از عملکردهای از قبل موجود سرمایه‌گذاری کند و دامنه پیچیدگی را در این زمینه بسیار افزایش دهد.

فناوری‌های دقیق مانند میکروسیال‌ها برای ترکیب مجدد ماژول‌های کاربردی به سمت سلول‌های مصنوعی چندمنظوره مورد استفاده قرار دارند و پیشرفت‌ها در فناوری نانو DNA باعث ایجاد طیف متنوعی از ماژول‌های کاربردی کاملاً مصنوعی، مانند کانال‌های یونی مبتنی بر DNA شده است که می‌تواند جایگزین بعضی از قطعات مبتنی بر پروتئین شود. علاوه بر این پیشرفت قابل‌توجهی در دست‌یابی به محفظه‌های بزرگ و پایدار، سیستم‌های چندمحفظه‌ای اندامک‌مانند و ساختارهای اسکلت سلولی پیچیده صورت گرفته است.

سلول‌های مصنوعی با عملکرد واقعی

محققان دانشگاه بریستول در مطالعه جدید خود روشی را برای ساخت پروتوسل‌های بسیار پیچیده با استفاده از ریز قطرات چسبناک پر از باکتری‌های زنده به‌عنوان یک سایت ساختمانی میکروسکوپی به‌کار گرفتند. آن‌ها ابتدا قطرات خالی را در معرض دو نوع مختلف باکتری قرار دادند. یک جمعیت به‌طور خودبه‌خود در داخل قطرات اسیر، اما جمعیت دیگر به سطح قطرات محدود شد. پس از آن هر دو نوع باکتری از بین رفت و اجزای سلولی آزاد شده، در داخل یا روی سطح قطرات به دام افتاد تا پروتوسل‌های باکتری‌زایی پوشش‌داده‌شده با غشای حاوی هزاران مولکول، بخش و ساختار بیولوژیکی را تولید کند.

محققان کشف کردند که پروتوسل‌ها می‌توانند مولکول‌های غنی از انرژی (ATP) را از طریق گلیکولیز تولید و RNA و پروتئین‌ها را با بیان ژن در شرایط آزمایشگاهی سنتز کنند که این امر نشان می‌دهد اجزای باکتریایی ارثی در سلول‌های مصنوعی فعال باقی می‌مانند.

تیم تحقیق با آزمایش بیشتر ظرفیت تکنیک به‌کاررفته از مجموعه‌ای از مراحل شیمیایی برای بازسازی پروتوسل‌های باکتری‌زا از نظر ساختاری و مورفولوژیکی استفاده کرد که درنتیجه آن DNA باکتری آزادشده به‌صورت یک ساختار واحد هسته‌مانند متراکم شد و با شبکه‌ای از رشته‌های پروتئینی و واکوئل‌های آب محدود به غشا و شبیه اسکلت سلولی به داخل قطره نفوذ کرد.

محققان بریستول به‌عنوان گامی به‌سوی ساخت یک موجودیت سلولی مصنوعی-زنده، باکتری‌های زنده را در پروتوسل‌ها کاشتند تا تولید خود پایدار ATP و انرژی‌دهی طولانی‌مدت برای گلیکولیز، بیان ژن و مونتاژ اسکلت سلولی را به‌وجود آورند. جالب‌توجه آن‌که سازه‌های اولیه به‌دلیل متابولیسم و رشد باکتری در محل یک مورفولوژی خارجی شبیه آمیب اتخاذ کردند تا یک سیستم بیونیک سلولی با خواص یکپارچه شبیه زندگی تولید کنند.

سیستم بیونیک

بیونیک یا زیست‌تقلید که به نام‌های بیومیمتیک، بیوگنوزیس، بیومیمیکری یا مهندسی خلاقیت زیستی نیز شناخته می‌شود عبارت است از کاربرد روش‌ها و سیستم‌های بیولوژیکی موجود در طبیعت برای مطالعه و طراحی سیستم‌های مهندسی و فناوری مدرن؛ به‌عبارت دیگر بیونیک استفاده از نمونه‌هایی از طبیعت به‌عنوان انگیزه‌ای برای طراحی یک فن جدید است که یک تبدیل سیستماتیک و استفاده از ساختارها، فرآیندها و تحولات بیولوژیکی موفق به‌شمار می‌رود. اصطلاح بیومیمتیک شامل تقلید فنی از اصول بیولوژیکی می‌شود.

محققان بریستول ضمن اشاره به این مهم که دست‌یابی به پیچیدگی سازمانی و عملکردی بالا در سلول‌های مصنوعی به‌ویژه در شرایط نزدیک به تعادل دشوار است، اعلام امیدواری کردند که رویکرد باکتری‌زایی فعلی آن‌ها به افزایش پیچیدگی مدل‌های پروتوسل موجود کمک، ادغام بی‌شمار اجزای بیولوژیکی را تسهیل و امکان توسعه سیستم‌های سیتومیمتیک (cytomimetic systems) پرانرژی را فراهم کند.

سیستم سیتومیمتیک

میمتیک یا عمل تقلیدی در لغت حرکات یا فعالیت‌هایی است که در آن‌ها چیزی تقلید می‌شود و در زیست‌شناسی یک مولکول مصنوعی غیرپپتیدی است که برخی از ویژگی‌های یک پپتید طبیعی را بازتولید می‌کند. پیشوند «سیتو» به‌معنای یاخته یا سلول در کلمه سیتومیمتیک به فعالیت تقلیدی یاخته‌ها اشاره دارد. تشکیل پروتوسل‌های سیتومیمتیک که جنبه‌های فیزیک‌وشیمیایی (Physicochemical) سلول‌های زنده را به تصویر می‌کشد؛ یک هدف مهم در زیست‌شناسی مصنوعی از پایین به بالا به‌شمار می‌رود.

محققان در ادامه افزودند که رویکرد مونتاژ مواد زنده آن‌ها فرصتی برای ساخت از پایین به بالای ساختارهای سلولی زنده-مصنوعی هم‌زیست فراهم می‌کند و آن‌ها می‌توانند به‌عنوان مثال با استفاده از باکتری‌های مهندسی‌شده، ماژول‌های پیچیده‌ای را برای توسعه در حوزه‌های تشخیصی و درمانی زیست‌شناسی مصنوعی، همچنین در تولیدات زیستی و به‌طورکلی بیوتکنولوژی ساخت ایجاد کنند.

محققان بر این باورند که این نوع از فناوری سلول‌های مصنوعی می‌تواند در آینده برای بهبود تولید اتانول برای سوخت‌های زیستی و فرآوری مواد غذایی مورد استفاده قرار گیرد. در ترکیب با دانش مبتنی بر مدل‌های پیشرفته زیست‌شناسی پایه، می‌توان بعضی از ساختارها را با هم ترکیب و در عین حال بعضی دیگر را به‌طور کامل طراحی کرد تا سیستم‌های کاملاً جدید مهندسی شود و به‌این‌ترتیب سلول‌های مصنوعی را طوری برنامه‌ریزی کرد که مانند باکتری‌های بنفش فتوسنتز یا مانند باکتری‌های کاهنده سولفات از مواد شیمیایی انرژی تولید کنند.