Living hydrogels with catalytic function grown from engineered yeast co-cultures

تخيل عالماً لا تُصنع فيه المواد التي نستخدمها لبناء الأجهزة الطبية، أو الروبوتات اللينة، أو حتى الغذاء في المصانع باستخدام الآلات الثقيلة والمواد الكيميائية السامة، بل تُزرع بدلاً من ذلك، تماماً مثل الحديقة. هذا هو الوعد الذي تقدمه المواد الحية المهندسة، وهو مجال يقوم فيه العلماء ببرمجة كائنات دقيقة لبناء هياكل من أجلهم. وفي قلب هذه القصة تكمن الهيدروجيلات (الهلامات المائية)، وهي شبكات لينة تشبه الهلام مكونة في معظمها من الماء ويمكنها احتواء الخلايا الحية ودعم الحياة. هذه المواد ضرورية لأشياء مثل الجلد الاصطناعي، وضمادات الجروح، وسقالات الأنسجة. ومع ذلك، فإن صنعها كان تقليدياً عملية صعبة وغالباً ما تكون ضارة. فلكي تتحول البروتينات السائلة إلى هلام صلب، يتعين على المصنعين عادةً خلط مواد كيميائية رابطة قاسية أو إنزيمات نقية باهظة الثمن. وهذه المواد الكيميائية يمكن أن تكون سامة للخلايا ذاتها التي يُفترض بالهلام حمايتها، كما أن خطوات التنقية تستهلك الكثير من الطاقة وتتسم بالرتابة. غير أن الطبيعة، مع ذلك، قد وجدت حلاً لهذه المشكلة منذ مليارات السنين؛ إذ تقوم الخلايا الحية في أجسامنا، وفي العالم الطبيعي، ببناء وإصلاح الهياكل الشبيهة بالهلام باستمرار عن طريق ربط سلاسل البروتين معاً دون أي إضافات سامة. والسؤال الذي كان الباحثون يطرحونه هو: هل يمكننا تعليم الميكروبات القيام بالشيء نفسه، أي إنشاء هذه المواد المفيدة ببساء زراعتها في وسط سائل؟

لقد أجاب فريق من العلماء في جامعة آلتو وكلية إمبريال لندن على هذا السؤال بنعم مدوية. فقد طوروا نظاماً تنمو فيه خلايا خميرة مهندسة هيدروجيلاً قوياً ووظيفياً مباشرة من مرق سائل، متجاوزين بذلك الحاجة تماماً إلى المواد الكيميائية الخارجية أو خطوات التصنيع المعقدة. بدأ الباحثون بالبحث في نوع معين من الإنزيمات يسمى "ترانسغلوتاميناز" (transglutaminase)، والذي يعمل مثل غراء جزيئي، قادر على حياكة سلاسل البروتين معاً لتكوين شبكة صلبة. وبينما توجد نسخ من هذا الإنزيم في الطبيعة، اختار الفريق استخدام نسخ بكتيرية لأنها قوية ولا تتطلب جزيئات مساعدة إضافية لتعمل. لقد أخذوا أربعة أنواع مختلفة من الإنزيمات البكتيرية وبرمجوا خلايا الخميرة لإنتاجها. ولإيجاد المرشح الأفضل، عرضوا هذه الإنزيمات على سطح خلايا الخميرة واستخدموا عملية فرز لتحديد أي منها تستطيع الخميرة إنتاجه بأكثر فعالية. ووجدوا أن إنزيماً من بكتيريا تسمى Streptomyces mobaraensis كان الفائز الواضح.

كان التحدي التالي هو جعل الخميرة تفرز هذا الإنزيم في السائل ليتمكن من العمل على البروتينات في البيئة المحيطة. قام الباحثون بهندسة الخميرة لإطلاق الإنزيم بحرية في المرق. وأضافوا بروتيناً محدداً يسمى "الكازين"، وهو غني باللبنات الأساسية التي يحتاجها الإنزيم للعمل، إلى المزرعة السائلة. وعندما تُركت خلايا الخميرة تنمو في وعاء هادئ وغير مضطرب، بدأت في إفراز الإنزيم. بدأ هذا الإنزيم في ربط بروتينات الكازين معاً. ومع ذلك، ظهرت مشكلة: خلايا الخميرة ثقيلة جداً بحيث لا تطفو، لذا غاصت في قاع الوعاء. ونتيجة لذلك، تم إنتاج الإنزيم فقط في الأسفل، وتكون الهلام في طبقة سميكة هناك فقط، مما ترك بقية السائل دون تغيير. لم تكن المادة متجانسة، وكانت العملية غير فعالة.

ولحل هذه المشكلة، استلهم الباحثون فكرة من الطبيعة. فغالباً ما تلتصق خلايا الخميرة في البرية بالمواد النباتية، مثل الفاكهة المتحللة أو لحاء الأشجار، الغنية بالسليلوز. تساءل الفريق عما إذا كان بإمكانهم استخدام ألياف دقيقة من السليلوز، تُعرف باسم "النانوفايبريل" (nanofibrils)، لإبقاء خلايا الخميرة معلقة في السائل. أضافوا كمية صغيرة من هذه الألياف إلى المزرعة. عملت هذه الألياف كدعامة لطيفة وغير مرئية، حيث أبقت خلايا الخميرة في مكانها عبر كامل حجم السائل. ومع توزيع الخلايا الآن بشكل متساوٍ، استطاع الإنزيم الذي تنتجه الوصول إلى بروتينات الكازين في كل مكان في الوعاء. وكانت النتيجة تحولاً جذرياً: تحول السائل بأكمله إلى هيدروجيل منتظم وذاتي الوقوف في غض_ن بضعة أيام. لم يكن هذا الهلام مجرد خليط بسيط؛ بل كان له بنية مزدوجة فريدة. جزء من الشبكة كان مكوناً من ألياف السليلوز المتشابكة فيزيائياً، والجزء الآخر كان مكوناً من البروتينات المترابطة كيميائياً بواسطة إنزيم الخميرة. هذا المزيج جعل المادة قوية ومرنة بشكل ملحوظ، وقادرة على الحفاظ على شكلها حتى عند عصرها، رغم أنها تحتوي على 94 بالمائة من الماء.

ومع ذلك، فإن القوة الحقيقية لهذا النظام الحي تكمكم في قدرته على فعل ما هو أكثر من مجرد بناء هلام. فقد أظهر الباحثون أنه يمكنهم زراعة هلام يؤدي أيضاً مهمة كيميائية محددة. حيث قاموا بزراعة مشتركة لنوع من الخميرة المكونة للهلام مع نوع ثانٍ من الخميرة المهندسة لإنتاج إنزيم يفكك المضادات الحيوية. ولأن كلا النوعين من الخميرة كانا ينموان معاً في نفس السائل، فقد احتوى الهيدروجيل الناتج على كل من البروتينات الهيكلية والإنزيم المفكك للمضادات الحيوية. وعندما اختبروا الهلام، وجدوا أنه يمكنه بنجاح تغيير لون مؤشر كيميائي، مما أثبت أن المادة الحية كانت تؤدي وظيفة تحفيزية نشطة. وهذا يعني أنه في خطوة واحدة، قاموا بزراعة مادة كانت في آن واحد هلاماً هيكلياً وأداة وظيفية.

يمثل هذا العمل تحولاً جوهرياً في كيفية تفكيرنا في صنع المواد. فبدلاً من إجبار المواد الكيميائية على التفاعل في وعاء، جعل العلماء المادة تنمو بنفسها، مسترشدة بالتعليمات الجينية داخل الخلايا الحية. العملية بسيطة، تتطلب فقط زراعة الخميرة في وسط سائل، وتتجنب استخدام الروابط الكيميائية السامة تماماً. الهيدروجيلات الناتجة قوية ومرنة، ويمكن برمجتها لأداء مهام محددة، مثل تفكيك المواد الضارة. ولأن أنواع الخميرة المستخدمة تُعتبر آمنة بشكل عام والإنزيمات تُستخدم بالفعل في صناعة الأغذية، فإن هذا النهج يفتح الباب أمام إنشاء أنواع جديدة من المواد القابلة للتحلل الحيوي للطب والغذاء والتكنولوجيا المتقدمة. وتظهر الدراسة أنه من خلال العمل مع القدرات الطبيعية للخلايا الحية، يمكننا زراعة مواد معقدة وعالية الأداء كان من المستحيل صنعها سابقاً دون عمليات صناعية قاسية.