كيف يختبر AGENTEX شفرات جينية جديدة داخل أنبوب اختبار؟

تغيّر AGENTEX، وهي اختصار لـ«التوسيع الآلي لجزيئات tRNA الجينية» (Automated Genetic tRNA Expansion)، ترتيب الخطوات المعتاد في هندسة الشفرة الجينية. فبدلاً من إعادة كتابة جينوم كائن حي أولاً ثم اكتشاف ما إذا كان نظام الترجمة الجديد يعمل، يستطيع الباحثون تجميع أنظمة ترجمة مرشحة خارج الخلية، وفحصها آلياً، ثم استخدام أفضل التصاميم نقطة انطلاق لتجارب هندسة خلوية لاحقة. 6

وتشير النتائج المبلغ عنها إلى أن هذه الأنظمة المعاد تصميمها قادرة على استخدام ما يصل إلى 34 وحدة بناء من الأحماض الأمينية، بدلاً من الأحماض الأمينية العشرين التي تعتمد عليها الشفرة البيولوجية المعتادة. 7 ولا يكمن التقدم الأساسي في زيادة عدد الكودونات عن 64 كودوناً، بل في جعل عدد أكبر من هذه الكودونات قابلاً للاستخدام ضمن تعيينات بديلة.

القيد الذي تحاول AGENTEX تجاوزه

تربط الشفرة الجينية القياسية بين 64 كودوناً ثلاثي القواعد وبين الأحماض الأمينية وإشارات البدء والتوقف. وبما أن عدة كودونات قد تحدد الحمض الأميني نفسه، فإن هذا التكرار يتيح نظرياً إعادة تعيين بعضها لوظائف جديدة.

لكن تغيير معنى كودون داخل خلية حية ينطوي على مخاطر كبيرة. فقد يظهر الكودون نفسه في عدد واسع من الجينات الأساسية، ما يعني أن إسناده إلى حمض أميني جديد قد يؤدي إلى أخطاء ترجمة واسعة النطاق. لذلك قد تتطلب الاستراتيجية الخلوية إزالة جميع نسخ الكودون أو استبدالها في الجينوم، مع منع آلية الترجمة الطبيعية من منافسة النظام المصمم.

تنقل AGENTEX التجربة الأولية إلى خارج الخلية. إذ يزوّد الباحثون التفاعل بمجموعة مخصصة من مكونات الترجمة، ثم يختبرون ما إذا كان مخطط تحويل الكودونات إلى أحماض أمينية ينتج البروتين أو الببتيد المطلوب قبل الالتزام بتعديل الجينوم على نطاق واسع. 615

كيف تعمل الشفرات الجينية المعاد تصميمها؟

يُفسَّر الكودون من خلال تفاعل بين الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)، والحمض النووي الريبي الناقل (tRNA)، وآلية الترجمة. وتركز AGENTEX على إعادة هندسة هذه العلاقات الجزيئية، بدلاً من التعامل مع الشفرة الطبيعية باعتبارها نظاماً ثابتاً لا يمكن تغييره.

درست المنصة الريبوسومات المصممة هندسياً، وجزيئات tRNA، وإنزيمات أمينوأسيل-tRNA سينثيتاز، وهي الإنزيمات التي تحمل الأحماض الأمينية إلى جزيئات tRNA، بهدف تحقيق تعرف متبادل بينها وفصلها عن نظام الترجمة القياسي. كما استخدمت أساليب آلية لفحص مكتبات من جزيئات tRNA الاصطناعية بحثاً عن قدرتها على تحميل الأحماض الأمينية. 6

ويتيح ذلك إسناد كودونات محددة إلى أحماض أمينية مختلفة، بما فيها الأحماض الأمينية غير المعيارية، داخل تفاعل خالٍ من الخلايا أُعيد بناؤه عمداً. وكانت أنظمة معاد تكوينها تعتمد على جزيئات tRNA منسوخة في المختبر قد أظهرت من قبل أن الترجمة يمكن أن تعمل وفق ترتيبات معاد تصميمها للشفرة الجينية؛ أما AGENTEX فتوسع هذا المبدأ إلى سير عمل آلي ومتعدد الاختبارات للنمذجة الأولية. 5

وبحسب المواد المتاحة، اختُبرت شفرتان جينيتان معاد تصميمهما إلى جانب الشفرة القياسية، مع إعادة تعيين ما يصل إلى ثلاثة كودونات وإدخال أحماض أمينية غير معيارية. 8 ولأن كل نظام بديل يُبنى من مكونات ترجمة متوافقة معه، يمكن تقييم تصاميم متعددة ضمن الإطار التجريبي نفسه، من دون فرض تفسير جيني جديد على جينوم كائن حي.

لماذا تمثل الأتمتة عاملاً مهماً؟

الشفرة الجينية ليست مجرد جدول يربط بين كودونات وأحماض أمينية. فلكي ينجح أي تعيين جديد، يجب أن تتعرف جزيئات tRNA على الكودونات المقصودة، وأن تحمل الإنزيمات المناظرة هذه الجزيئات بالأحماض الأمينية الصحيحة، وأن يقبل الريبوسوم المعقد الناتج بدقة وكفاءة كافيتين. وتسمح منصات الترجمة الخالية من الخلايا بإضافة هذه المكونات أو حذفها أو تبديلها كلٌّ على حدة. 1516

وتستفيد AGENTEX من هذه القابلية للتحكم لدعم دورة تصميم وبناء واختبار:

1. التصميم: وضع جدول مرشح للكودونات وتحديد مكونات الترجمة المطلوبة لتنفيذه.
2. البناء: تجميع تركيبات جزيئات tRNA والإنزيمات والريبوسومات في تفاعل خالٍ من الخلايا.
3. الاختبار: قياس تحميل الأحماض الأمينية، والترجمة، وإدخال الأحماض الأمينية المختارة في البروتين.
4. المقارنة: تقييم الإنتاجية والدقة والاستقلالية الوظيفية بين أنظمة مرشحة كثيرة.
5. الترقية: دفع التصاميم الواعدة فقط إلى تجارب بيولوجية أكثر تعقيداً.

وتتمثل الفائدة العملية في زيادة السرعة واتساع نطاق البحث. فالتصميم الفاشل يمكن استبعاده بوصفه تفاعلاً مخبرياً لم ينجح، بدلاً من أن يتحول إلى مشروع كامل لهندسة كائن حي. أما التصميم الناجح فيمكن تحسينه قبل بدء تحرير الجينوم وبناء السلالة وإجراء الاختبارات البيولوجية اللازمة داخل الخلايا. 6

ما الذي لم تحله المنصة بعد؟

تثبت AGENTEX وجود منصة ترجمة تعمل في المختبر، لكنها لا تنشئ بحد ذاتها كائناً حياً قادراً على الحفاظ على شفرة جينية معاد تصميمها بدرجة كبيرة، أو استنساخها، أو تنظيمها، أو توريثها.

وسيتطلب نقل شفرة جديدة إلى خلية حية التغلب على تحديات عدة، من بينها:

• التوافق على مستوى الجينوم: قد يلزم حذف الكودونات المعاد تعيينها أو استبدالها في أنحاء الجينوم حتى لا تُترجم البروتينات الطبيعية ترجمة خاطئة.
• التحكم في المكونات: يجب أن تعمل جزيئات tRNA والإنزيمات والريبوسومات المصممة هندسياً بثبات إلى جانب آلية الترجمة الطبيعية في الخلية أو بدلاً منها.
• توافر الأحماض الأمينية: ينبغي للخلية أن تحصل على كل حمض أميني غير معياري أو تصنعه، ثم توجّهه إلى مسار الترجمة الصحيح.
• التحميل الانتقائي: يجب أن تحمل الإنزيمات الحمض الأميني المقصود إلى جزيء tRNA المقصود، مع تجنب التفاعلات غير المرغوبة. 5
• الأداء والاستقرار: ينبغي للنظام المعاد تصميمه أن يحافظ على إنتاجية البروتين ودقته ونمو الخلية وقدرتها على التوارث مع مرور الوقت.

وتوضح دراسات خلوية سابقة حجم التحدي. فقد أبلغ نظام حديث في خلايا الثدييات عن إدخال ما يصل إلى خمسة أحماض أمينية اصطناعية مختلفة في بروتين واحد، عبر إعادة توظيف كودونات نادرة. 4 وهذه نتيجة خلوية مهمة، لكنها تختلف عن إثبات بناء كائن مستقر ذاتي التكاثر يستخدم التصميم الكامل على نمط AGENTEX ذي الأحماض الأمينية الـ34. ولا تثبت المواد المتاحة بناء كائن من هذا النوع.

ماذا يمكن أن تتيح AGENTEX؟

أبجدية كيميائية أوسع لهندسة البروتينات

تُبنى البروتينات الطبيعية من مجموعة محدودة نسبياً من وحدات الأحماض الأمينية. وقد تسمح التصاميم الجينية الأكثر مرونة باستكشاف بروتينات وبوليمرات ببتيدية حيوية تحتوي على مجموعات كيميائية أو سلاسل جانبية أو تراكيب في العمود الفقري لا توفرها الترجمة العادية. ويربط تقرير AGENTEX المنصة تحديداً بتصنيع البوليمرات الببتيدية الحيوية وبالنمذجة الأولية عند الطلب للشفرات الجينية. 6

مرشحون جدد لاكتشاف الأدوية

قد تمنح الأحماض الأمينية غير المعيارية البروتينات والببتيدات خصائص مفيدة في برامج الاكتشاف، مثل تفاعلية مختلفة أو ثبات أعلى أو فرص للتحكم في ربط الجزيئات. ويمكن لـAGENTEX أن تسهّل فحص عدد كبير من التصاميم الجزيئية في مرحلة مبكرة. لكن هذا يمثل ميزة في الاكتشاف والهندسة، وليس دليلاً على أن منتجاً دوائياً محدداً من AGENTEX أصبح علاجاً. فأي استخدام علاجي محتمل سيظل بحاجة إلى إثبات الفعالية والسلامة وإمكانات التوصيل والتصنيع وفق المعايير المعتادة.

مواد حيوية قابلة للبرمجة

تمنح الصناعة الريبوسومية تحكماً دقيقاً في تسلسل البروتين. وقد يؤدي الجمع بين هذا التحكم ومجموعة أوسع من الوحدات الكيميائية إلى استكشاف مواد حيوية ذات خصائص جديدة في الارتباط أو التحفيز أو البصريات أو الميكانيكا أو التجميع الذاتي. وقد استُخدمت الأنظمة الخالية من الخلايا بالفعل لإنتاج بروتينات نشطة وفق ترتيبات معاد تصميمها للشفرة، وهو ما يوفر أساساً لهذا النوع من التجارب. 5

خطوة نحو العزل الجيني

قد تجعل الشفرة الجينية المختلفة بدرجة كافية من الصعب مستقبلاً على الكائنات المهندسة تبادل معلومات جينية وظيفية مع الكائنات الطبيعية، أو على الطفيليات البيولوجية المعتادة استغلالها. لكن AGENTEX لا تثبت هذه النتيجة. وإسهامها المباشر هو تمكين الباحثين من مقارنة شفرات مرشحة مستقلة وظيفياً قبل محاولة تثبيت إحداها في نظام حي قابل للتكاثر، وهي مهمة أكثر صعوبة بكثير.

كيف تختلف عن المحاولات السابقة؟

كانت عملية توسيع الشفرة الجينية تبدأ غالباً بإسناد حمض أميني غير معياري واحد إلى كودون توقف، أو بتحرير الجينوم على نطاق واسع لتحرير عدد صغير من الكودونات. كما أظهرت أعمال أخرى تصاميم أوسع، من بينها نظام مؤلف من 68 كودوناً استطاع إدخال أربعة أحماض أمينية غير معيارية مختلفة في بروتين واحد. وأنتجت أبحاث خالية من الخلايا أيضاً شفرات متبادلة أو مبسطة باستخدام جزيئات tRNA مصممة أو منسوخة في المختبر. 35

لذلك تتمثل مساهمة AGENTEX المميزة في سير العمل بقدر ما تتمثل في عدد الأحماض الأمينية: فهي توفر نمذجة أولية آلية ومتعددة لأنظمة الترجمة قبل إعادة ترميز الخلايا. وبذلك تضيف طبقة فحص بين التصميم النظري للشفرة الجينية وبين الكائن الحي؛ وقد تساعد هذه الطبقة على تقليل الجهد المهدَر، وكشف حالات عدم التوافق مبكراً، وتوسيع عدد البنى الجينية التي يستطيع الباحثون اختبارها.

أما الخلاصة الأساسية، فهي أن AGENTEX تجعل ابتكار الشفرات الجينية البديلة واختبارها أسهل، لكنها لا تلغي المشكلات البيولوجية والهندسية المرتبطة بتشغيل هذه الشفرات داخل الخلايا.