پژوهشگران دانشگاه مینهسوتا از ساخت نخستین سلول مصنوعی جهان به نام SpudCell خبر دادند که میتواند چرخه کامل زندگی را به طور کامل طی کند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این سلول مصنوعی قادر است رشد کند، مواد مغذی را جذب نماید، DNA خود را تکثیر کند، تقسیم شود و اطلاعات ژنتیکی را به نسل بعد منتقل کند. این دستاورد یکی از مهمترین پیشرفتها در حوزه زیستشناسی مصنوعی به حساب میآید و میتواند مسیر تولید سلولهای کاملاً مهندسیشده را برای کاربردهای پزشکی و صنعتی هموار کند.
پژوهشگران دانشگاه مینهسوتا اعلام کردند که SpudCell نخستین سلول مصنوعی جهان است که مجموعه کامل رفتارهای اساسی یک سلول زنده را در قالب یک سامانه مهندسیشده از خود نشان میدهد. پژوهشگران در سالهای گذشته توانسته بودند تنها بخشی از عملکردهای سلولی مانند تولید پروتئین، تکثیر DNA یا تشکیل غشا را در محیط آزمایشگاه شبیهسازی کنند، اما هیچیک از این سامانهها قادر نبودند همه این فرایندها را به صورت همزمان انجام دهند.
هدایت این پروژه را «کیت آدامالا» و «آرون انگلهارت» بر عهده داشتند. هدف اصلی این پژوهش، اثبات این موضوع بود که ویژگیهای بنیادی حیات را میتوان تنها با استفاده از مواد شیمیایی و بدون بهرهگیری از سلولهای طبیعی بازآفرینی کرد. به گفته پژوهشگران، این پروژه بیش از آنکه به دنبال ساخت یک موجود زنده جدید باشد، نشان میدهد قوانین پایه زیستشناسی را میتوان به صورت مهندسیشده بازسازی کرد.
سلول SpudCell از ساختارهایی به نام لیپوزوم ساخته شده است. لیپوزومها کیسههای بسیار کوچکی هستند که از غشای چربی تشکیل میشوند و فضای داخلی آنها با آب پر شده است. پژوهشگران، DNA مصنوعی را نیز درون این ساختار قرار دادند تا دستورالعملهای لازم را برای انجام عملکردهای سلولی در اختیار آن قرار دهد.
این سلول مصنوعی برای ادامه فعالیت خود به لیپوزومهای تغذیهکننده متصل میشود. این ساختارهای کمکی، مولکولها، آنزیمها و ریبوزومهای مورد نیاز را برای ساخت پروتئین در اختیار سلول قرار میدهند. پس از دریافت این مواد، سلول رشد میکند و اندازه آن افزایش مییابد. سپس ژنوم خود را تکثیر میکند و برای تقسیم آماده میشود.
یکی از تفاوتهای مهم SpudCell با سلولهای طبیعی، نحوه تقسیم آن است. سلولهای زنده معمولاً از اسکلت سلولی برای جدا شدن به دو سلول جدید استفاده میکنند، اما این سلول مصنوعی فاقد چنین ساختاری است. پژوهشگران به جای استفاده از اسکلت سلولی، پروتئینهایی را طراحی کردند که بهتدریج روی غشا تجمع پیدا میکنند. افزایش این تجمع، تنش مکانیکی ایجاد میکند و در نهایت غشا را به دو بخش جداگانه تقسیم میکند. به این ترتیب، دو سلول جدید شکل میگیرند که هر دو، نسخهای از اطلاعات ژنتیکی را در اختیار دارند.
پژوهشگران علاوه بر شبیهسازی چرخه زندگی، توانستند مفهوم انتخاب طبیعی را نیز در این سامانه مصنوعی به نمایش بگذارند. آنها تغییری در DNA ایجاد کردند که باعث افزایش تولید یکی از پروتئینهای مسئول اتصال لیپوزومها میشد. این تغییر باعث شد سلولهای اصلاحشده، منابع غذایی را سریعتر جذب کنند و با سرعت بیشتری رشد نمایند.
نتایج آزمایشها نشان داد پس از پنج نسل، سلولهای اصلاحشده تقریباً بر جمعیت اولیه غلبه کردند و تعداد بیشتری از نسل بعدی را به وجود آوردند. زمانی که مقدار مواد غذایی کاهش پیدا کرد، این برتری حتی بیشتر نیز شد. این نتیجه نشان میدهد که فرایندهای تکاملی میتوانند در یک سامانه کاملاً مصنوعی نیز رخ دهند؛ موضوعی که برای پژوهشگران اهمیت زیادی دارد.
کیت آدامالا درباره این دستاورد گفت که این پروژه هیجانانگیزترین پژوهشی بوده است که تاکنون روی آن کار کرده است. او توضیح داد که تیم تحقیقاتی توانسته است مجموعه کامل رفتارهای یک سلول را با استفاده از شیمی بازسازی کند؛ کاری که پیش از این تنها در موجودات زنده امکانپذیر بود. به گفته او، این نتیجه نشان میدهد رشد، تکثیر و دیگر عملکردهای اساسی حیات به هیچ عامل ناشناخته یا اسرارآمیزی وابسته نیستند و میتوان آنها را بر پایه قوانین شناختهشده شیمی مهندسی کرد.
یکی دیگر از ویژگیهای قابل توجه SpudCell اندازه کوچک ژنوم آن است. ژنوم این سلول مصنوعی تنها ۹۰ هزار جفتباز دارد؛ مقداری که از حداقل ژنوم مورد نیاز برای بسیاری از سلولهای زنده نیز کوچکتر است. همچنین پژوهشگران اطلاعات ژنتیکی را بهجای یک کروموزوم در قالب هفت پلاسمید DNA مجزا سازماندهی کردند. این روش به آنها اجازه میدهد هر بخش از عملکرد سلول را به صورت مستقل برنامهریزی و تغییر دهند.
پژوهشگران معتقد هستند که این معماری انعطافپذیر میتواند در آینده به طراحی سلولهای مصنوعی سفارشی منجر شود. در چنین شرایطی، بهجای تغییر ژنتیکی باکتریها یا مخمرها، دانشمندان خواهند توانست سلولهایی را از ابتدا برای انجام وظایف مشخص طراحی کنند. این سلولها ممکن است برای تولید داروهای پیچیده، ساخت مواد پیشرفته، تولید سوختهای زیستی یا انجام واکنشهای شیمیایی خاص به کار گرفته شوند.
همزمان با معرفی این پروژه، آدامالا و همکاران او سازمان پژوهشی غیرانتفاعی Biotic را نیز راهاندازی کردهاند. هدف این سازمان، ایجاد استانداردهای مشترک و توسعه زیرساختهای لازم برای پیشبرد مهندسی سلولهای مصنوعی است. پژوهشگران تأکید کردند که توسعه این فناوری به همکاری گسترده دانشگاهها، مراکز پژوهشی و صنایع مختلف در سراسر جهان نیاز دارد.
با وجود این موفقیت، پژوهشگران تأکید کردند که سلول مصنوعی SpudCell هنوز در مرحله تحقیقات آزمایشگاهی قرار دارد. نسلهای آینده این سلولها باید از ژنومی پایدارتر، ماشینهای مولکولی پیشرفتهتر و روشهای مهندسی استاندارد بهره ببرند تا بتوان از آنها در مقیاس صنعتی یا پزشکی استفاده کرد. هرچند، این دستاورد نشان میدهد ساخت سلولهایی که تمام عملکردهای اصلی حیات را تنها با استفاده از اجزای مصنوعی انجام دهند، دیگر یک ایده علمی دور از دسترس نیست و اکنون به واقعیتی قابل توسعه تبدیل شده است.
