کنترل فرآیندهای بیوشیمیایی سلولی با ابداع یک روش مصنوعی

مهندسان زیست پزشکی در دانشگاه دوک، یک روش مصنوعی جدید برای کنترل فرآیندهای بیوشیمیایی سلولی پیدا کرده اند.

به گزارش تکناک، در این روش جدید کنترل فرآیندهای بیوشیمیایی سلولی به جای ایجاد ذرات یا ساختارهایی که مستقیماً از طریق مکانیسم‌های سنتی «قفل و کلید» با ساختارهای سلولی در تعامل هستند، سلول‌ها به سمت ساخت محفظه‌هایی هدایت می‌شوند که به طور فیزیکی عملکردهای بیومولکولی را متوقف یا تشویق می‌کنند.

محققان نشان می‌دهند که روش جدید کنترل فرآیندهای بیوشیمیایی سلولی  آنها می‌تواند بر دو فرآیند سلولی تأثیر بگذارد، یکی مسئول انتشار دستورالعمل‌های ژنتیکی در بین باکتری‌ها و دیگری برای تعدیل مدارهای پروتئینی در سلول‌های پستانداران.

نتایج به دست آمده می‌تواند برای توسعه استراتژی‌های جدید برای درک و مبارزه با بیماری یا توقف گسترش پاتوژن‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک، بسیار ارزشمند باشد.

یفان دای، مدیر آزمایشگاهی که این تحقیق را انجام داد، گفت: یک سلول زنده مانند یک سوپ رشته فرنگی متراکم است، تراکم مولکول های زیستی در سلول، گاهی اوقات به این صورت توصیف می شود که هر انسان روی این سیاره، روی یک دریاچه نمک بزرگ قرار دارد.

وی در ادامه گفت: ساختار کهربا گاهی اوقات حیوانات را برای هزاران سال به روش سنتی نگهداری می کرد. دانشمندان فکر می کردند که شاید سلول ها بتوانند همین کار را با اطلاعات بیشتری انجام دهند.

ریزساختارهای بیولوژیکی به طور کلی بر مکانیزم‌های به اصطلاح «قفل و کلید» متکی هستند یعنی یک پروتئین، رشته ژنتیکی یا سایر مولکول‌های زیستی، شکل و اندازه مناسبی برای تعامل با ساختار هدف خود دارند. از آنجا که اینها ساده ترین و واضح ترین فرآیندها برای مطالعه و بازآفرینی هستند، تقریباً تمام تحقیقات زیست پزشکی بر روی شبکه گسترده و پیچیده آن ساختارها متمرکز شده است.

اما از آنجایی که سلول‌ها با این ساختار بیومولکولی، بسیار فشرده می شوند و برای پاسخ به نیازهای مختلف در طول عمر خود نیاز به کنترل فعالیت دارند، دانشمندان مدت‌ها گمان می‌کردند که باید راه‌هایی برای شمارش  فعالیت‌های سلول داشته باشند. اما در سال 2009 بود که محققان مکانیسم روشی را کشف کردند که آن روش، میعانات بیولوژیکی واسطه جداسازی فاز نام داشت.

میعانات بیولوژیکی محفظه‌های کوچکی هستند که سلول‌ها می‌توانند آن‌ها را بسازند تا پروتئین‌ها و مولکول‌های خاصی را جدا کرده یا در کنار هم قرار دهند و یا مانع یا ترویج فعالیت آن‌ها شوند. محققان تازه شروع به درک چگونگی کارکرد میعانات کرده اند. ایجاد بستری که بتواند به سلول‌ها بگوید نسخه‌های مصنوعی این قفس‌های زیست مولکولی را ایجاد کنند، گام بزرگی است.

لینگ چونگ گفت: برای من، آنچه که بسیار قابل توجه است، اثربخشی دستاوردهای ناشی از مطالعات گذشته در هدایت مهندسی خواص فیزیکی این میعانات است، که به نوبه خود به طور موثر در سلول های زنده،علیرغم بسیاری از عوامل مسدود کننده، مرتبط با محیط درون سلولی کار می کنند.

ایجاد مجموعه ای مصنوعی از دستورالعمل های ژنتیکی ، باعث می شود سلول ها انواع مختلفی از میعانات را بسازند که فرآیندهای بیومولکولی مختلف را به دام می اندازند. در یک مثال، آنها میعاناتی می سازند که بسته های کوچک DNA به نام پلاسمیدها را از حرکت بین باکتری ها در فرآیندی به نام انتقال افقی ژن باز می دارد. این فرآیند یکی از روش‌های اولیه است که پاتوژن‌ها برای گسترش مقاومت به آنتی‌بیوتیک‌ها از آن استفاده می‌کنند و جلوگیری از وقوع آن می‌تواند گامی کلیدی در جهت مبارزه با ایجاد و تکثیر «ابر میکروب‌ها» باشد.

همچنین محققان نشان می دهند که می توانند از این روش برای کنترل رونویسی DNA به RNA در باکتری E. coli استفاده کنند و به طور موثر آزادسازی یک ژن خاص را با کنار هم قرار دادن عوامل مختلف تقویت کنند. آنها بیشتر این روش را برای تعدیل مدارهای پروتئینی در سلول های پستانداران نشان می دهند. تعدیل فعالیت ژن‌های خاص و فعالیت‌های پروتئینی می‌تواند راه مفیدی برای مبارزه با طیف گسترده‌ای از بیماری‌ها، به‌ویژه بیماری‌های ژنتیکی باشد.

چیلکوتی،یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: این آزمایش نشان می‌دهد که ما به‌عنوان مهندسان زیست‌پزشکی، می‌توانیم قطعات مولکولی جدیدی را از پایه طراحی کنیم، سلول را متقاعد کنیم که آنها را بسازد، و این قطعات را در داخل سلول جمع کنیم تا یک ساختار جدید بسازیم. سپس این میعانات مصنوعی را می توان در داخل سلول روشن کرد تا نحوه عملکرد سلول را کنترل کنند. این مقاله بخشی از یک زمینه در حال ظهور است که به ما امکان می دهد زندگی را دوباره به روش های جدید و هیجان انگیز ، برنامه ریزی کنیم.