Genome-wide engineering for synthetic auxotrophy biocontainment in yeast

تخيل عالماً يمكننا فيه برمجة الخلايا الحية للقيام بمهام مذهلة، من تنظيف بقع النفط إلى تصنيع أدوية منقذة للحياة. هذا هو الوعد الذي تقدمه البيولوجيا التخليقية. ومع ذلك، فإن إطلاق هذه الميكروبات المهندسة في البيئة المفتوحة يحمل خطراً كبيراً: ماذا لو هربت، وتكاثرت، وعطلت النظم البيئية الطبيعية أو نقلت سماتها الجديدة إلى أقاربها من الأنواع البرية؟ ولمنع حدوث ذلك، يعمل العلماء على تطوير أنظمة "الاحتواء الحيوي"، وهي في الأساس مفاتيح أمان جينية تضمن أن هذه الكائنات يمكنها البقاء على قيد الحياة فقط في ظل ظروف محددة للغاية ومسيطر عليها. وتتضمن إحدى الاستراتيجيات الواعدة جعل الميكروب يعتمد على لبنة بناء نادرة لا توجد في الطبيعة؛ فإذا غادر الميكروب المختبر ودخل البرية، فلن يتمكن من العثور على هذا المكون المفقود وبالتالي لن يستطيع البقاء على قيد الحياة.

التحدي، مع ذلك، يكمن في جعل مفتاح الأمان هذا قوياً دون إبطاء الكائن الحي أثناء قيامه بعمله. فإذا جعلت آلية الأمان الميكروب بطيئاً، فسيواجه صعوبة في المنافسة حتى داخل المختبر، أو والأسوأ من ذلك، قد يطور طريقة لتجاوز مفتاح الأمان لمجرد النمو بشكل أسرع. لقد سعى فريق من الباحثين في جامعة مانشستر، وجامعة فاغينينجن، وشركة إنسكريبت (Inscripta Inc) لحل هذا اللغز في الخميرة، وهي نوع شائع من الفطريات وحيدة الخلية المستخدمة على نطاق واسع في الصناعة. لقد هدفوا إلى إنشاء سلالة من الخميرة غير ضارة تماماً خارج المختبر لأنها تتطلب حمضاً أمينياً غير طبيعي للعيش، ولكنها تنمو بنفس سرعة خلية الخميرة العادية عند توفير ذلك الحمض الأميني.

ولتحقيق ذلك، استخدم الباحثون تقنية تسمى "توسيع الشفرة الوراثية". في جميع الكائنات الحية، تُقرأ تعليمات الحمض النووي (DNA) في مجموعات من ثلاثة أحرف، تسمى "كودونات"، والتي تخبر الخلية بأي حمض أميني يجب إضافته إلى البروتين. أحد هذه الكودونات، والذي يسمى عادةً إشارة "التوقف"، يخبر الخلية بالتوقف عن بناء البروتين. قام الفريق باستبدال إشارة التوقف هذه بتعليمات جديدة لا تعمل إلا في حالة وجود حمض أميني غير طبيعي محدد. لقد أدخلوا هذه التعليمات المعدلة في الجينات الأساسية — وهي الجينات بالغة الأهمية لدرجة أنه إذا توقفت عن العمل، تموت الخميرة. في وجود الحمض الأميني غير الطبيعي، تتجاهل آليات الخميرة إشارة التوقف وتبني بروتيناً كاملاً وعاملاً. وبدون الحمض الأميني، تتوقف الآلية مبكراً، مما ينتج عنه بروتين مكسور وغير مفيد، وتموت الخميرة.

تكمن الصعوبة في اختيار المكان الدقيق لوضع إشارة التوقف هذه. فإذا وضعت في المكان الخاطئ، فقد تموت الخميرة حتى في وجود الحمض الأميني، أو قد تنجو بدونه لأن البروتين المكسور قد يعمل بشكل جيد بما يكفي. ولإيجاد المواقع المثالية، لم يعتمد الباحثون على التخمين؛ بل اختبروا آلاف الاحتمالات في وقت واحد. لقد أنشأوا مكتبة ضخمة من خلايا الخميرة، حيث تحمل كل خلية نسخة مختلفة من جين أساسي مع وضع إشارة التوقف في موقع مختلف. واستخدموا نظاماً روبوتياً عالي السرعة لإجراء هذه التغييرات عبر ما يقرب من 400 بروتين أساسي.

قام الفريق بعد ذلك بزراعة الآلاف من متغيرات الخميرة هذه في حالتين: إحداهما تحتوي على الحمض الأميني غير الطبيعي، والأخرى بدونه. ومن خلال تتبع أي النسخ الجينية نجت وأيها اختفت في كل بيئة، استطاعوا تحديد أكثر مفاتيح الأمان فعالية. واكتشفوا أن نجاح المفتاح يعتمد بشدة على الموقع المحدد للتغيير والتسلسل الجيني المحيط به، وليس فقط على كمية البروتين التي تنتجها الخلية عادةً. ومن المثير للاهتمام، اكتشفوا أن الجينات المشاركة في معالجة الرسائل الجينية (تضفير الحمض النووي الريبي - RNA splicing) كانت مرشحة جيدة جداً لهذا النوع من مفاتيح الأمان.

وعلى الرغم من أنهم وجدوا العديد من المفاتيح الفردية التي نجحت، إلا أنه لم يكن أي منها مثالياً بمفرده. فبعضها منع الخميرة من النمو بشكل جيد جداً، بينما لم تكن بعضها صارمة بما يكفي، مما سمح لبعض الخلايا المارقة بالبقاء على قيد الحياة بدون الحمض الأميني. ولحل هذه المشكلة، قام الباحثون بدمج عدة مفاتيح. فقد وجدوا أن وضع إشارتي توقف في جين أساسي واحد، وتحديداً في جين يسمى (PRP5)، خلق حاجز أمان أكثر صرامة. هذه السلالة ذات المفتاح المزدوج لم تستطع الهروب من نظام الأمان بسهولة، حيث نجت حوالي خليتين فقط من بين كل 100,000 خلية دون الحمض الأميني.

ولدفع الأمان إلى أبعد من ذلك، قام الفريق بإضافة طبقة ثانية من نظام الأمان، وهو نظام مختلف تماماً. اعتمد هذا النظام الثاني على بروتين يتفكك ما لم يكن هناك هرمون معين موجود. ومن خلال الجمع بين اشتراط الحمض الأميني ونظام استقرار البروتين هذا، أنشأوا سلالة خميرة تتمتع بمستوى عالٍ جداً من الأمان. وفي اختباراتهم، كانت فرصة هروب هذه الخميرة ذات القفل المزدوج للعيش في البرية منخفضة للغاية لدرجة أنها كانت غير قابلة للكشف تقريباً، وتُقدر بأقل من خلية واحدة من بين كل 10 مليارات خلية. ومن المثير للإعجاب أن هذا الأمان الفائق لم يأتِ على حساب الأداء؛ ففي المختبر، ومع وجود المكونات المطلوبة، نمت خلايا الخميرة فائقة الأمان هذه بنفس سرعة وصحة الخميرة البرية العادية.

يوضح هذا العمل أنه من الممكن بناء كائنات حقيقية النواة — خلايا معقدة مثل الخميرة والخلايا البشرية — مزودة بأنظمة أمان صارمة للغاية ولا تعيق قدرتها على العمل. ومن خلال الاختيار الدقيق لمكان وضع التغييرات الجينية ودمج آليات أمان مختلفة، وضع الباحثون حجر الأساس لجيل جديد من الاحتواء الحيوي. ويقدم هذا النهج طريقة لاستخدام الميكروبات المهندسة في البيئات المفتوحة بثقة، مع اليقين بأنه إذا غادرت المختبر، فلن تتمكن ببساطة من البقاء على قيد الحياة.