A water-soluble poly(diphenylacetylene)-based photoredox system for visible-light-driven DNA fragmentation

في مختبرات البيولوجيا الجزيئية، تُعد القدرة على قطع الحمض النووي (DNA) أداة أساسية. فغالباً ما يحتاج العلماء إلى كسر الخيوط الطويلة والملتوية للمادة الوراثية لدراسة كيفية تنظيم الجينات، أو كيفية تعبئة الكروموسومات، أو كيفية إصلاح الخلايا لنفسها. تقليدياً، تم إجراء هذا القطع بطريقتين رئيسيتين؛ الأولى تتضمن استخدام إنزيمات طبيعية، والتي تعمل مثل مقصات جزيئية لا تقطع إلا عند تسلسلات محددة ومحددة مسبقاً من الحروف في الشفرة الوراثية. أما الطريقة الثانية فهي فيزيائية، وتستخدم الموجات الصوتية أو القوة الميكانيكية لتحطيم الحمض النووي إلى قطع عشوائية. وبينما تعمل هذه الطرق بشكل جيد، إلا أنها تفتقر إلى ميزة حاسمة: وهي القدرة على تشغيلها وإيقافها في لحظة محددة وفي مكان معين. فالإنزيمات تعمل باستمرار بمجرد إضافتها، والقوة الفيزيائية يصعب تطبيقها على خلية واحدة دون إلحاق الضرر بجيرانها. وهنا يقدم الضوء حلاً؛ ولأن الضوء يمكن تشغيله فوراً وتركيزه على نقطة متناهية الصغر، فإنه يوفر وسيلة للتحكم في التفاعلات الكيميائية بدقة عالية في الزمان والمكان، بشرما يمكن تحفيز التفاعل بواسطة الضوء المرئي بدلاً من الأشعة فوق البنفسجية الضارة.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة كانازاوا والمعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا الصناعية المتقدمة في اليابان نظاماً جديداً يستخدم الضوء المرئي لقطع الحمض النووي دون الحاجة إلى تسلسل محدد للاستهداف. لقد ابتكروا بوليمراً قابلاً للذوبان في الماء، وهو عبارة عن سلسلة طويلة من الجزيئات التي يمكن أن تذوب في الماء مثل السكر، ويعمل كحفاز عند التعرض للضوء الأزرق. يعتمد هذا البوليمر على بنية تسمى "بولي (ثنائي فينيل أسيتيلين)"، والتي تمتلك هيكلاً قادراً على امتصاص الضوء ونقل الطاقة على طول امتداده. ولجعل هذا الهيكل يعمل في بيئة بيولوجية، قام الباحثون بإرفاق سلاسل جانبية مكونة من "إيثيلين جليكول"، وهي مادة تجعل البوليمر صديقاً للماء. وعند خلط هذا البوليمر مع نوع معين من المواد الكيميائية تسمى "مانح الأمين" وتعريضه للضوء الأزرق بطول موجي قدره 425 نانومتر، فإنه يحفز تفاعلاً يكسر خيوط الحمض النووي. ولا تتطلب هذه العملية أن يتعرف البوليمر على شفرة وراثية محددة؛ بل يعمل كقاطع عام يمكن تنشيطه ببساطة عن طريق تسليط الضوء.

اختبر الباحثون أولاً هذا النظام باستخدام "بلازميد DNA"، وهي حلقات صغيرة دائرية من المادة الوراثية تُستخدم غالباً كنماذج في المختبر. وضعوا بلازميد DNA في محلول يحتوي على البوليمر وأحد ثلاثة أنواع مختلفة من مانحات الأمين، ثم سلطوا الضوء الأزري على الخليط. ولرؤية ما إذا كان قد تم قطع الحمض النووي، قاموا بتمرير الخليط عبر "جل"، وهي عملية تفصل قطع الحمض النووي حسب حجمها. في تجارب الضبط (الكنترول)، حيث تم إطفاء الضوء أو كان البوليمر مفقوداً، ظل الحمض النووي سليماً وتحرك في "الجل" في حلقاته الأصلية المتماسكة. ومع ذلك، عندما تم تشغيل الضوء في وجود كل من البوليمر ومانح الأمين، تغير النمط بشكل كبير؛ حيث اختفت الحلقات المتماسكة وحلت محلها بقعة من القطع الصغيرة، مما يشير إلى أن الحمض النووي قد تم تقطيعه إلى أجزاء. وأكد الباحثون أن جميع المكونات الثلاثة — البوليمر، ومانح الأمين، والضوء — كانت ضرورية لحدوث هذا القطع. فبدون الضوء، لم يبدأ التفاعل، مما أثبت أن الطاقة المستمدة من الفوتونات كانت هي المفتاح لإطلاق العملية.

لفهم أي المكونات الكيميائية كانت تعمل بشكل أفضل، قارن الفريق بين ثلاثة مانحات للأمين. كان أحدها مادة كيميائية قياسية، والآخر نسخة من تلك المادة مع إضافة مجموعة كحول لجعلها أكثر توافقاً مع الماء، والثالث جزيء أكبر يحتوي على مجموعتي أمين. في تجارب الأنبوب مع بلازميد DNA، نجحت جميع المانحات الثلاثة، لكن الجزيء الأكبر ذو الأمين المزدوج أنتج القطع الأكثر اتساعاً. ومع ذلك، لاحظ الباحثون أن حجم وشكل الجزيء كانا مهمين؛ لذا اختاروا المانح الوظيفي بالكحول لمزيد من الاختبارات لأنه يوازن بين التوافق مع الماء والبنية البسيطة نسبياً، مما يجعله أسهل في التعامل معه في البيئات البيولوجية. كما وجدوا أيضاً أن كمية المانح المستخدمة كانت مهمة؛ فعندما زادوا تركيز المانح في المحلول، أصبح قطع الحمض النووي أكثر شدة. وهذا يشير إلى أن التفاعل اعتمد على إمداد مستمر من هذه الجزيئات للحفاظ على استمرار عملية القطع.

جاء الاختبار الحقيقي للنظام عندما انتقل الباحثون من أنابيب الاختبار إلى الخلايا الحية. فقد عالجوا خلايا بشرية، تُعرف باسم HEK293A، بالبوليمر ومانحات الأمين، ثم عرضوا الخلايا للضوء الأزرق. بعد ذلك، استخلصوا الحمض النووي الجينومي — المادة الوراثية الرئيسية داخل نواة الخلية — وحللوه. وأظهرت النتائج أن النظام يمكنه بالفعل تفتيت الحمض النووي داخل الخلايا الحية. فالحمض النووي عالي الوزن الجزيئي، الذي يظهر عادةً كحزمة صلبة في أعلى "الجل"، تكسر إلى قطع أصغر انتشرت عبر "الجل". ومن المثير للاهتمام أن أداء المانحات المختلفة تغير في هذه البيئة؛ فبينما كان مانح الأمين المزدوج الكبير هو الأكثر قوة في أنبوب الاختبار، إلا أنه أدى بشكل ضعيف داخل الخلاف. وفي المقابل، كان المانح الوظيفي بالكحول، الذي كان أداءً قوياً في أنبوب الاختبار، هو الأكثر فعالية في قطع الحمض النوئي الخلوي بطريقة تعتمد على مدة تسليط الضوء. ويشير هذا الاختلاف إلى أن البيئة المعقدة داخل الخلية، بما تحتويه من جزيئات وحواجز أخرى، تغير كيفية تفاعل هذه المواد الكيميائية.

يقترح الباحثون أن القطع يبدأ بانتقال الإلكترونات. فعندما يصطدم الضوء الأزرق بالبوليمر، فإنه يحفز الإلكترونات في هيكل البوليمر. ثم يقوم مانح الأمين بإعطاء إلكترون لهذا البوليمر المثار، مما يخلق حالة مشحونة غير مستقرة وتفاعلية. وهذه الحالة التفاعلية هي ما يؤدي في النهاية إلى كسر خيوط الحمض النووي. ومع ذلك، لا يزال الهوية الدقيقة للنوع الكيميائي المحدد الذي يقوم بقص الحمض النووي لغزاً. فقد يكون انتقالاً مباشراً للإلكترون إلى الحمض النووي، أو قد يتضمن تفاعلات ثانوية مع الأكسجين في الهواء تخلق أنواعاً تفاعلية قادرة على القطع. لا تؤكد الدراسة بعد أي من هذه المسارات هو الأساسي، كما أنها لا تحدد بالضبط أين يحدث القطع داخل الخلية. ومن الممكن أن يحدث التفاعل داخل الخلية، أو قد يحدث بعد تكسير الخلية أثناء عملية الاستخلاص.

رغم هذه الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها، فإن هذا العمل يؤسس لمنصة جديدة للتحكم في الحمض النووي باستخدام الضوء. فالبوليمر القابل للذوبان في الماء يعمل كأداة متعددة الاستخدامات يمكن ضبطها عن طريق تغيير سلاسلها الجانبية. ويشير الباحثون إلى أنه في المستقبل، يمكنهم إرفاق مجموعات استهداف محددة بالبوليمر لتوجيهه إلى أجزاء معينة من الخلية أو إلى أنواع معينة من الأنسجة. وهذا سيسمح بمعالجة أكثر دقة للمادة الوراثية. أما في الوقت الحالي، فيمثل هذا النظام خطوة كبيرة للأمام، منتقلاً من مجرد تفاعلات بسيطة في أنابيب الاختبار إلى بيئات خلوية معقدة. إنه يثبت أن الضوء المرئي يمكن استخدامه لتحفيز تفتيت الحمض النووي دون الحاجة إلى إنزيمات أو تسلسلات جينية محددة، مما يوفر طريقة جديدة لدراسة آليات الحياة بدرجة عالية من التحكم الزماني والمكاني. وتشير النتائج إلى أنه من خلال تعديل الشركاء الكيميائيين والتعرض للضوء، يمكن للعلماء ضبط هذه العملية بدقة لمختلف الاستقصاءات البيولوجية، مما يفتح الباب أمام تجارب كان من الصعب إجراءها سابقاً.