An in vitro platform for the rapid and scalable biocatalysis of complex polyketides

لقد بنت الطبيعة بعضاً من أكثر المصانع الكيميائية تطوراً المعروفة علمياً داخل بكتيريا متناهية الصغر. تمتلك هذه الكائنات المجهرية خطوط تجميع جزيئية طويلة مكونة من البروتين، يمكنها ربط وحدات بناء بسيطة معاً لتشكيل هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة. هذه الهياكل، المعروفة باسم البوليكيتيدات (polyketides)، هي مصدر للعديد من الأدوية المنقذة للحياة، بما في ذلك المضادات الحيوية التي تحارب العدوى والأدوية التي تهدئ الجهاز المناعي. لعقود من الزمن، حلم العلماء بأخذ خطوط التجميع الطبيعية هذه من البكتيريا ووضعها في أنبوب اختبار. كانت الفكرة تكمل في تشغيل هذه الآلات الجزيئية مباشرة، دون التدخل الفوضوي لخلية حية، لإنتاج أدوية جديدة بشكل أسرع وأنظف. ومع ذلك، فشلت المحاولات الأولى للقيام بذلك. فعندما حاول الباحثون تشغيل خطوط التجميع هذه خارج الخلية، كانت تتحرك ببطء شديد لدرجة أن العملية بدت عديمة الفائدة، حيث لم تنتج شيئاً تقريباً قبل أن تتوقف الآلات عن العمل.

لقد نجح فريق من الباحثين في جامعة تكساس في أوستن الآن في دحض هذا الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة. فقد طوروا طريقة جديدة لتشغيل خطوط التجميع الجزيئية هذه في أنبوب اختبار تكون سريعة، وفعالة، وقادرة على إنتاج كميات كبيرة من المواد الكيميائية المعقدة. ومن خلال إعادة تصميم أجزاء البروتين لخط التجميع بعناية وإنشاء نظام يعيد تزويد الآلات بالوقود الذي تحتاجه باستمرار، حول الفريق عملية بطيئة إلى خط إنتاج سريع. وقد أثبتوا أن هذه الآلات البيولوجية يمكنها العمل بنفس سرعة أكثر المصانع الطبيعية كفاءة الموجودة في الطبيعة، حيث تحول المكونات البسيطة إلى جزيئات معقدة تشبه الأدوية في غضون ساعات. يشير هذا الاختراق إلى أن العلماء يمكنهم الآن بناء مكتبات من الأدوية الجديدة والمعقدة في مختبر، متجاوزين الطرق البطيئة والمكلفة للتخليق الكيميائي التقليدي أو الطبيعة غير المتوقعة لنمو البكتيريا.

تبدأ القصة بنوع محدد من الآلات الجزيئية يسمى "بولي كيتيد سينثيز" (polyketide synthase). في الطبيعة، تشبه هذه الآلات أحزمة ناقلة ضخمة مصنوعة من البروتين؛ فهي تأخذ جزيئات صغيرة وبسيطة وتربطها معاً بترتيب دقيق لبناء هياكل أكبر وأكثر تعقيداً. ويحدد ترتيب الأجزاء على الحزام شكل ووظيفة المنتج النهائي. لسنوات، حاول العلماء استخدام هذه الآلات داخل البكتيريا الحية لصنع الأدوية. وبينما نجح ذلك، كان من الصعب التحكم فيه؛ إذ كانت للبكتيريا عملياتها الداخلية الخاصة التي تتنافس مع خط التجميع، وكان من الصعب معرفة ما إذا كان انخفاض الإنتاج ناتجاً عن خلل في الآلة أم في بيئة الخلية. بدا نقل العملية إلى أنبوب اختبار حلاً منطقياً، لأنه سيسمح للعلماء بالتحكم في كل متغير. ولكن عندما حاولوا ذلك لأول مرة، كانت الآلات بطيئة للغاية. فقد أظهرت محاولة شهيرة لتشغيل آلة تصنع مضاداً حيوياً يسمى "إريثرومايسين" (erythromycin) أنها تتحرك ببطء شديد، حيث أنتجت كمية ضئيلة جداً من المنتج قبل أن تتوقف. وقد أدى ذلك إلى افتراض واسع النطاق بأن هذه الآلات المعقدة ببساطة لا تعمل بشكل جيد خارج موطنها الطبيعي.

لقد سعى الباحثون لإثبات أن هذا الافتراض خاطئ. فقد ركزوا على آلة مختلفة، وهي التي تنتج طبيعياً مركباً يسمى "ناربونوليد" (narbonolide)، وهو مرتبط بالمضاد الحيوي "بيكروميسين" (pikromycin). وبدلاً من استخدام النسخة الطبيعية من الآلة، المكونة من أربعة خيوط بروتينية ضخمة، قاموا بتفكيكها إلى ست قطع أصغر وأسهل في الإدارة. جعل هذا التصميم المعاد هيكلته من السهل إنتاج الآلة في المختبر وتجميعها بشكل صحيح. ثم اختبروا هذا الإعداد الجديد في محلول يحتوي على الوقود اللازم ووحدات البناء. في البداية، عملت الآلة، لكنها كانت لا تزال بطيئة جداً لدرجة غير عملية، وكان المنتج الذي صنعته هشاً، حيث يتفكك في البيئة الكيميائية لأنبوب الاختبار. أدرك الفريق أن الآلة كانت تحارب نفسها؛ فبعض أجزاء الآلة كانت تنتج منتجات جانبية غير مرغوب فيها، وكان يتم إهدار الوقود.

ولإصلاح ذلك، عامل الباحثون خط التجميع كأنه محرك معقد يحتاج إلى ضبط. فقد استبدلوا أجزاءً معينة من الآلة، مستبدلين الوصلات العامة بأخرى تناسب المهمة المحددة بشكل أفضل. كما نقلوا الملصقات المستخدمة لتحديد البروتينات إلى أماكن مختلفة على الخيوط لمعرفة ما إذا كان ذلك سيساعد القطع على الالتصاق ببعضها البعض بكفاءة أكبر. وأضافوا أيضاً إنزيماً خاصاً للتنظيف يعمل مثل الميكانيكي، حيث يقوم بإزالة الأجزاء المعيبة التي قد تعيق خط التجميع. كل تغيير صغير جعل الآلة أسرع. وبحلول الوقت الذي انتهوا فيه من تحسين التصميم، كانت الآلة تعمل بسرعة تزيد بمائة مرة عن آلة الإريثرومايسين القديمة، وهي سرعة تضاهي سرعة أكثر مصانع الأحماض الدهنية الطبيعية كفاءة في الطبيعة. لم تعد مجرد تجربة بطيئة؛ بل أصبحت محفزاً حيوياً عالي الأداء.

كانت القطعة الأخيرة من اللغز هي نظام الوقود. تتطلب هذه الآلات إمداداً مستمراً من الطاقة ووحدات بناء محددة للاستمرار في الحركة. في الخلية الحية، توفر الخلية هذا الوقود تلقائياً، أما في أنبوب الاختبار، فإن الوقود ينفد بسرعة. طور الفريق منصة جديدة، أطلقوا عليها اسم نظام "EPK"، والتي تعمل كمحطة إعادة تعبئة ذاتية. يتضمن هذا النظام إنزيمات تعمل باستمرار على تجديد الوقود ووحدات البناء من مكونات بسيطة ورخيصة. ومع وجود هذا النظام، تمكن الباحثون من تشغيل تفاعل في دورق صغير لمدة ساعتين في درجة حرارة الغرفة. بدأوا بكمية ضئيلة من الآلة ومكونات بسيطة، وحولتهم الآلة إلى كمية كبيرة من المنتج النهائي. وفي غضض ساعتين فقط، أنتجوا ما يكفي من مركب "الناربونوليد" لملء قارورة صغيرة، وهي كمية كان سيستغرق تحقيقها أياماً أو أسابيع باستخدام الطرق السابقة.

تجاوز نجاح هذه المنصة مجرد صنع مركب واحد. فقد استخدم الباحثون نفس النظام المحسن لبناء أربعة جزيئات معقدة أخرى، لكل منها شكل مختلف قليلاً. ولأن العملية كانت نظيفة وخالية من ضجيج الخلية الحية، تمكنوا من عزل هذه المنتجات في شكل نقي. سمح لهم ذلك بتحديد البنية ثلاثية الأبعاد الدقيقة للجزيئات باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية (X-ray crystallography)، مما كشف عن تفاصيل لم تكن مرئية من قبل. أحد الجزيئات التي صنعوها كان له بنية صورة مرآتية لمركب معروف، وهو اختلاف طفيف غالباً ما يُفقد في الخلايا الحية، ولكنه كان واضحاً هنا. إن القدرة على إنتاج هذه الأشكال المعقدة في شكل نقي تفتح الباب لإنشاء مكتبات واسعة من الهياكل الكيميائية الجديدة. يمكن للعلماء الآن مزج وخلط أجزاء مختلفة من خطوط التجميع لإنشاء آلاف المتغيرات الجديدة، واختبار خصائصها الطبية دون قيود نمو البكتيريا.

يغير هذا العمل مشهد كيفية صنع الأدوية المعقدة. فهو يثبت أن بطء هذه الآلات الجزيئية لم يكن عيباً جوهرياً، بل كان نتيجة لسوء التصميم ونقص أنظمة الدعم المناسبة. ومن خلال إعادة بناء الآلات وتزويدها بتدفق مستمر من الوقود، نجح الباحثون في تسخير أقوى الأدوات الاصطناعية في الطبيعة. أصبحت العملية الآن سريعة بما يكفي لتكون عملية، ونظيفة بما يكفي لإنتاج مواد عالية الجودة لاكتشاف الأدوية. وبينما لا تزال هذه التكنولوجيا في مراحلها الأولى، تظهر النتائج أن مستقبل صنع الأدوية المعقدة قد لا يكمن في زراعة المزيد من البكتيريا أو بناء المزيد من المصانع الكيميائية، بل في صقل خطوط التجميع الجزيئية التي أتقنتها الطبيعة بالفعل. لقد فُتح الباب الآن لاستكشاف فضاء كيميائي شاسع، وخلق إمكانيات جديدة لعلاج الأمراض التي كان من الصعب الوصول إليها لفترة طويلة.