Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

تتشارك الحياة، بجميع أشكالها، من أصغر بكتيريا إلى أكبر حوت، في سر جوهري: القدرة على البقاء كما هي بينما يتغير كل ما حولها. هذا الاستقرار الداخلي يسمى "الاستتباب" (homeostasis). وهو السبب في أن جسمك يحافظ على درجة حرارة ثابتة حتى عندما تتغير حالة الطقس، أو لماذا تظل مستويات السكر في دمك متوازنة بعد تناول الوجبة. لا تحقق الكائنات الحية ذلك من خلال كونها ساكنة، بل من خلال استشعار حالتها الداخلية باستمرار وإجراء تعديلات طفيفة وتلقائية. فهي تشعر عندما يكون هناك مركب كيميائي مرتفع للغاية فتبطئ إنتاجه، أو تشعر عندما يكون منخفضًا للغاية فتسرع من وتيرته. هذا التوازن الدقيق هو ما يسمح للحياة بالاستمرار. وبالنسبة للعلماء الذين يحاولون بناء حياة اصطناعية من الصفر، كان إنشاء نظام يمكنه القيام بذلك من تلقاء نفسه أحد أصعب التحديات. فمعظم الخلايا المصنوعة يدويًا تشبه الغرف المغلقة؛ فبمجرد استهلاك المكونات الموجودة بداخلها، تتوقف التفاعلات، ويموت النظام. فهي تفتقر إلى القدرة على سحب وقود جديد من العالم الخاري وتنظيم هذا الإدخال بناءً على ما يحدث في الداخل.

قام فريق من الباحثين في جامعة سري وجامعة كوليدج لندن ببناء خلية اصطناعية صغيرة يمكنها القيام بهذا بالضبط. لقد صنعوا فقاعة مجهرية يمكنها استشعار كيميائها الداخلية وتعديل كمية الوقود التي تسمح بدخولها تلقائيًا للحفاظ على نشاطها مستقرًا. هذا النظام، الموصوف في دراسة حديثة، يستخدم مزيجًا ذكيًا من هياكل الحمض النووي (DNA) والإنزيمات لإنشاء حلقة تنظيم ذاتي. لم يكتفِ الباحثون بمراقبة حدوث ذلك فحسب؛ بل قاموا ببناء المكونات، وتجميعها داخل فقاعة دهنية، وراقبوا النظام وهو يحافظ على حالة مستقرة لمدة ست عشرة ساعة، وهي مدة طويلة بشكل ملحوظ لمثل هذا التركيب الاصطناعي البسيط.

الخلية الاصطناعية التي بنوها هي "حويصلة أحادية الطبقة عملاقة"، وهي في الأساس كرة مجوفة كبيرة مكونة من طبقة واحدة من جزيئات الدهون، تشبه غشاء الخلية الحقيقية. داخل هذه الفقاعة، وضع الباحثون الآليات اللازمة لصنع الحمض النووي الريبوزي (RNA)، وهو جزيء يعمل كرسول وعامل في الأنظمة البيولوجية. كما أضافوا نظامًا لتكسير الحمض النووي الريبوزي. ومع ذلك، فإن الابتكار الحاسم يكمن في جلد الفقاعة. فقد قام الباحثون بدمج هياكل دقيقة تشبه الأنابيب مصنوعة من الحمض النووي (DNA) في الغشاء. تعمل أنابيب الحمض النووي هذه كبوابات أو مسام، مما يسمح للجزيئات الصغيرة بالمرور عبرها. وتحديدًا، هي تسمح لثلاثي فوسفات الريبونوكليوتيد (rNTPs) بالتدفق من البيئة الخارجية إلى داخل الفقاعة. وهذه الـ rNTPs هي وحدات البناء التي تحتاجها الخلية لصنع الحمض النووي الريبوزي (RNA).

براعة التصميم تكمن في كيفية تحكم الخلية في هذا التدفق. فمسام الحمض النووي ليست مفتوحة بشكل دائم؛ إذ يمكن سدها. لقد برمج الباحثون النظام بحيث أنه عندما تصنع الخلية الحمض النووي الريبوزي (RNA)، فإنها تنتج أيضًا نوعًا معينًا من خيوط الحمض النووي الريبوزي يعمل كحاجز. فكلما أنتجت الخلية المزيد من الحمض النووي الريبوزي، تراكمت هذه الخيوبات الحاجزة وسدت فيزيائيًا مسام الحمض النووي، مما يوقف تدفق الـ rNTPs الجديدة. وهذا يخلق حلقة تغذية راجعة سلبية: فكلما زاد عمل الخلية، زادت عملية إغلاق إمدادات الوقود الخاصة بها. ومع ذلك، فإن النظام ليس مصممًا ليبقى مغلقًا. فداخل الفقاعة، يقوم إنزيم يسمى (RNase) بأكل خيوط الحمض النووي الريبوزي الحاجزة ببطء. ومع تكسير هذه الخيوط، تعاود المسام الانفتاح، مما يسمح بدخول rNTPs جديدة ويبدأ الدوري من جديد. هذه الدورة المستمرة من الفتح والإغلاق وإعادة الفتح تسمح للخلية بالحفاظ على مستوى ثابت ومستمر من إنتاج الحمض النووي الريبوزي، بغض النظر عن كمية الوقود المتاحة في الخارج.

لإثبات نجاح هذا النظام، اختبر الباحثون أولاً مسام الحمض النووي بمفردها. فقد ملأوا الفقاعات بصبغة حمراء ووضعوها في محلول يحتوي على صبغة خضراء. وعندما كانت المسام مفتوحة، تسربت الصبغة الحمراء إلى الخارج وتدفق الداخل الصبغة الخضراء، مما أكد أن المسام كانت وظيفية. ثم أظهروا أنه يمكنهم إيقاف هذا التدفق عن طريق إضافة خيوط حاجز، مما أغلق البوابات بفعالية. بعد ذلك، أثبتوا أن المسام يمكن أن تسمح بدخول كمية كافية من الـ rNTPs لتشغيل الآليات الداخلية لصنع الحمض النووي الريبوزي (RNA). وعندما أضافوا علامة فلورية تضيء فقط عند الارتباط بالحمض النووي الريبوزي المصنوع حديثًا، توهجت الفقاعات ذات المسام المفتوحة بسطوع، بينما ظلت تلك ذات المسام المغلقة مظلمة.

كان الاختبار النهائي والأكثر أهمية هو معرفة ما إذا كان النظام بأكمله يمكنه الحفاظ على الاستتباب. وضع الباحثون الخلايا المجمعة بالكامل في محلول يحتوي على rNTPs وراقبوا العملية بمرور الوقت. في الخلايا التي كانت فيها المسام مفتوحة دائمًا، استمر إنتاج الحمض النووي الريبوزي في الازدياد حتى نفدت الموارد أو أصبح الأمر فوضويًا. وفي الخلايا التي كانت فيها المسام مغلقة دائمًا، توقف إنتاج الحمض النووي الريبوزي فورًا تقريبًا. ولكن في الخلايا ذات مسام الحمض النووي ذات التنظيم الذاتي، ارتفع مستوى الحمض النووي الريبوزي إلى نقطة معينة ثم ظل هناك، ثابتًا ومستقرًا، لمدة ست عشرة ساعة. لقد عدل النظام تلقائيًا تدفق الوقود ليتناسب مع معدل تكسير الحمض النووي الريبوزي، مما خلق توازنًا مثاليًا.

كما أظهر الباحثون أنه يمكنهم ضبط هذا التوازن. فمن خلال إضافة خيط محدد من الحمض النووي (DNA) يعمل كـ "عتبة"، يمكنهم التقاط بعض خيوط الحمض النووي الريبوزي الحاجزة قبل وصولها إلى المسام. وهذا يعني أن المسام ستظل مفتوحة لفترة أطول، مما يسمح بدخول المزيد من الوقود ويؤدي إلى مستوى مستقر أعلى من إنتاج الحمض النووي الريبوزي. هذه القدرة على تحديد المستوى المستهدف للنشاط دون إعادة بناء النظام بأكمله تشير إلى درجة عالية من التحكم. وتوضح الدراسة أنه من خلال الجمع بين النقل، والتعبير الجيني، والتحلل في حلقة تغذية راجعة واحدة، من الممكن إنشاء خلية اصطناعية تتصرف مثل الكائن الحي، وتحافظ على استقرارها الداخلي في عالم متغير. يوفر هذا العمل مخططًا لبناء مواد أكثر تعقيدًا وتكيفًا وخلايا اصطناعية يمكنها العمل لفترات ممتدة دون تدخل بشري.