زیست شناسی مصنوعی چیست؟

زیست شناسی علمی برای بررسی حیات است. شاخه‌های این علم ساختارهای مختلف سلولی، مولکولی و بیوشیمیایی را در سلول‌های یوکاریوتی و پروکاریوتی بررسی می‌کند. زیست شناسی مصنوعی یکی از شاخه‌های این علم است که از رشته‌های مختلف و تکنولوژی برای درک بهتر فرایندهای زیستی و تولید ابزارها و روش‌های درمانی جدید کمک می‌گیرد. در این مطلب تعریف زیست شناسی مصنوعی و کاربردهای آن را با مثال توضیح می‌دهیم.

زیست شناسی مصنوعی :

زیست شناسی مصنوعی شاخه‌ای از علم است که از ترکیب کردن رشته‌های مختلف مهندسی و زیست شناسی برای تولید ابزارها و سیستم‌های زیستی استفاده می‌کند. تعریف‌های متفاوتی برای این علم وجود دارد.

• علمی که از ترکیب مهندسی فیزیک و ژنتیک برای خلق شکل‌های جدید حیات استفاده می‌کند.
• علم نوظهوری که تلاش می‌کند با ترکیب دانش و روش‌های زیست‌شناسی، مهندسی و رشته‌های مرتبط در زمینه سنتز شیمیایی DNA، ارگانیسم‌های جدید با ویژگی‌های منحصربه‌فرد یا بهبودیافته خلق کند.
• علمی که برای طراحی و ساخت سیستم‌ها، ماشین‌ها و مدل‌های زیستی جدید یا طراحی مجدد سیستم‌های زیستی موجود برای اهداف مشخص، کاربرد دارد.
• استفاده از الگوی مهندسی ساخت سیستم‌ها برای طراحی سیستم‌های قابل پیش‌بینی و قوی با ویژگی‌های جدیدی که در طبیعت وجود ندارد.

زیست شناسی مصنوعی را می‌توان مثل سایر سیستم‌های مهندسی به دو روش «بالا به پایین» (Top Down) و «پایین به بالا» (Bottom Up) تقسیم‌بندی کرد.

• در روش بالا به پایین از روش‌های متابولیک و مهندسی ژنتیک برای ایجاد یک ویژگی جدید در سلول‌هایزنده استفاده می‌شود.
• در روش پایین به بالا از مولکول‌ها و پلیمرهای غیرزنده در محیط آزمایشگاه (in vitro) برای ایجاد یک سلول زنده جدید استفاده می‌شود.

تاریخچه زیست شناسی مصنوعی:

این واژه اولین بار در سال ۱۹۱۰ و در یکی از مقالات زیست‌شناس فرانسوی، استفان لدوس (Stéphane Leduc) مطرح شد. لدوس معتقد بود بررسی سیستم‌های زیستی و موجودات زنده به‌وسیله علم فیزیک و شیمی، علاوه بر اینکه به فهم بهتر این سیستم‌ها کمک می‌کند، امکان سنتز سیستم‌های «زیست‌تقلید» (Biomimic) را برای انسان فراهم خواهد کرد.

استفان لدوس اولین زیست‌شناسی بود که واژه زیست‌شناسی مصنوعی را استفاده کرد. بیشتر تحقیقات او در زمینه اسمز و انتشار بود.

در سال ۱۹۶۱ جاکوب و مونود با بررسی اپران lac در ژنوم باکتری ای. کولی تنظیم مولکولی سیستم‌های زیستی را بررسی کردند. تحقیق آن‌ها تصویری جدید از ویژگی‌های مولکول در سلول‌های زنده ایجاد کرد و پایه بسیاری از اطلاعات امروز ما از رونویسی، ترجمه و تنظیم ژن‌ها است.

اپران لک از سه ژن (lac Z، lac Y و lac A) تشکیل شده است که به‌وسیله یک مهارکننده تنظیم می‌شوند.

اولین «کلونینگ» (Cloning) و تکثیر DNA در سال ۱۹۷۳ توسط کوهن و همکارانش با استفاده از پلاسمید انجام شد. تحقیقات این دانشمندان اولین قدم در زیست شناسی مصنوعی و مکانیسم خلق سلول‌های زنده مشابه بود. کوهن و بویر موفق شدند پلاسمیدهای موجود در سیتوپلاسم باکتری ای. کلای را استخراج و به سلول زنده دیگر منتقل کنند. تحقیقات آن‌ها مفهوم جدید از علم ژنتیک و زیست شناسی به نام DNA نوترکیب را به دنیا معرفی کرد. کوهن و بوهر برای این کار بخشی از DNA ریبوزومی قورباغه را با پلاسمید باکتری ترکیب و به‌وسیله سیستم مولکولی باکتری تکثیر کردند.

کوهن و بویر از آنزیم‌های ای. کلای برای تکثیر DNA ریبوزومی استفاده کردند.

پنج سال پس از تحقیقات کوهمن و بویر، جایزه نوبل پزشکی برای کشف «آنزیم‌های محدودکننده» (Restriction Enzymes) به آربر، ناتان و اسمیث اهدا شد. این آنزیم‌ها قیچی‌های دئوکسی ریبواسید نوکلئیک هستند که به‌وسیله آن‌ها می‌توان بخش‌های مختلف یک DNA یا DNA گونه‌های مختلف را برای بررسی مولکولی برش داد. این آنزیم‌ها علاو بر تسهیل سنتز DNA نوترکیب، امکان سنتز ژن‌های جدید به‌وسیله زیست شناسی مصنوعی را فراهم می‌کنند.

Eco R1، HindIII و PstI ازجمله آنزیم‌های محدودکننده‌ای هستند که با هیدرولیز پیوند فسفودی‌استر بین نوکلئوتیدها داخل (اندونوکلئاز) یا در دو سر مولکول (اگزونوکلئاز)، دو بخش DNA را از هم جدا می‌کنند.

با انجام اولین PCR در سال ۱۹۸۸ به‌وسیله مولیس و همکارانش، قدم بعدی در پیشرفت زیست شناسی مصنوعی برداشته شد. واکنش زنجیره پلیمراز یا PCR مجموعه‌ای از چرخه‌های تکثیر DNA به‌وسیله یک DNA پلیمراز مقاوم به گرما در مدت زمان بسیار کوتاه است. کشف این واکنش نه تنها امکان تکثیر DNA، بلکه بررسی جهش‌ها و توالی‌یابی ژنوم گونه‌های مختلف را فراهم کرد.

واکنش زنجیره پلیمراز با سه مرحله اصلی و استفاده از پرایمر، DNA پلیمراز و نوکلئوتیدها در مدت زمان کم تعداد زیادی از یک نسخه DNA تکثیر می‌کند.

در سال‌های اول قرن ۲۱ زیست شناسی مصنوعی قدم‌های بسیاری در ساخت سلول‌های زنده مهندسی شده برداشت. اولین کنفرانس بین المللی زیست شناسی مصنوعی، نخستین داروهای پروتئینی سنتز شده در ای. کلی، مدارهای الکتریکی که سرعت حمله باکتریایی به سلول‌های سرطانی را افزایش می‌دهند، سنتز اولین ژنوم مصنوعی باکتری به‌وسیله روش‌های شیمیایی و ژنوم مخمر، و مهندسی بازوهای کروموزمی عملکردی در مخمر از دست آوردهای مختلف این سال‌ها بود.

در سال ۲۰۲۰ میلادی اولین «زنوبوت‌ها» (Xenobots) ساخته شدند. این ساختارهای زنده مصنوعی به‌وسیله الگوریتم‌های کامپیوتری و بافت‌های زنده مختلف طراحی شده‌اند تا عملکرد مشخصی برای مثال جمع‌آوری ذرات پلاستیک اقیانوس، را انجام دهند.

کاربرد زیست شناسی مصنوعی:

زیست شناسی مصنوعی علاوه بر اینکه شناخت ما از فرایندهای زیستی و موجودات زنده را افزایش می‌دهد، مسیر جدید برای ساخت ابزارهای مختلف در صنایع مختلف ازجمله کشاورزی، پزشکی، داروسازی، محیط زیست و صنایع غذایی در اختیار ما قرار می‌دهد. زیست‌تقلید بودن این ابزارها احتمال آلودگی‌های محیط‌زیستی و ایجاد خطرات جانبی برای انسان را کاهش خواهد داد. به علاوه در سیستم‌های بر پایه سبلول معمولا نیاز است ژنوم سلول توالی‌یابی شود و به‌وسیله وکتور مناسب وارد سلول میزبان شود. این فرایند سرعت روش‌های زیست شناسی مصنوعی را کاهش و درصد خطا را افزایش می‌دهد. به همین دلیل ایده زیست شناسی مصنوعی بدون سلول شکل گرفت.

حسگرهای زیستی کدامند ؟

حسگرهای زیستی یا بیوسنسورها ساختارهای زیستی-الکترونی هستند که تغییرات زیستی محیط برای مثال حضور توکسین‌ها یا فلزات سنگین در آب را تشخیص می‌دهند. انواع بسیار زیادی از این سیستم‌ها وجود دارد که بر اساس برهم‌کنش آنتی‌بادی-آنتی‌ژن، تولید محصول جدید به‌وسیله واکنش‌های آنزیمی، برهم‌کنش رسپتور-لیگاند و فعالیت باکتری‌ها عمل می‌کند. تمام این سیستم‌ها از یک بخش «شناساگر» (Detector)، «مبدل» (Transducer) و «آشکارساز» (Reader) تشکیل می‌شوند.

• شناساگر:

این بخش ساختاری زیستی است که با آنالیت برهم‌کنش می‌کند. این بخش ممکن است آنتی‌بادی، آنزیم یا رسپتور استخرج شده از یک سلول زنده یا ساختارهای زیستی سنتز شده با کمک مهندسی ژنتیک یا ساختارهای زیست‌تقلید باشد.

• مبدل:

مبدل بخشی از بیوسنسور است که برهم‌کنش شناساگر با آنالیت را به تغییر شیمیایی یا الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. مکانیسم‌های «نوری» (Optical)، «پیزوالکتریک» (Piezoelectric)، «الکتروشیمیایی‌» (Electrochemical) و «الکترولومینسانس» (Electrochemiluminescence) ازجمله مکانیسم‌هایی هستند که در حسگرهای زیستی مختلف کاربرد دارند.

• آشکارساز:

آشکارساز بخشی الکتریکی این سیستم‌ها است که پیام مبدل را به شکل اعداد و نمودار برای کاربر نمایش می‌دهد.

انواع شناساگر بیوسنسور:

آنتی‌بادی‌ها مولکول‌های پروتئینی بسیار تخصصی هستند که تنها به یک نوع آنتی‌ژن متصل می‌شوند. به همین دلیل یکی از گزینه‌های مناسب برای شناساگر بیوسنسورهای تخصصی به حساب می‌آیند. اتصال این دو مولکول به هم تغییرات کنفورماسیونی به وجود می‌آورد که می‌توان آن را به کمک مولکول‌های شناساگر (رنگ فلوئورسنت، آنزیم یا رادیوایزوتوپ‌ها) به سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل کرد. یکی از معایب مهم این شناساگرها حساسیت زیاد برهم‌کنش به pH و ترکیبات محیط است. به علاوه این پروتئین ها وزن مولکولی بالایی دارند و تولید آن‌ها فرایندی هزینه‌بر است. زیست شناسی مصنوعی با سنتز قطعات (Fab، Fv و scFv) و دومین‌های (VH و VHH) اتصالی نوترکیب به کمک بیوسنسور آمد.

بیوسنسور آنفولانزا یکی از محصولات بر پایه زیست شناسی مصنوعی است. آنتی‌بادی آنفولانزا شناساگر و سیلیس مبدل بیوسنسور نشان داده شده در شکل است.

پروتئین‌های متصل شونده به آنتی‌ژن (AgBP) گروهی دیگر از پروتئین‌های مهندسی شده و جایگزین آنتی‌بادی‌ها هستند که وزن بسیار کمتری (کمتر از ۱۰۰ آمینواسید) دارند. نبود پیوند دی‌سولفیدی در ساختار این پروتئین‌ها، پایداری ساختار را افزایش می‌دهد.

شناساگرهای آنزیمی تعداد زیادی از واکنش‌های متفاوت را کاتالیز می‌کنند و آنالیت‌هایی که می‌توان به‌وسیله آن‌ها بررسی کرد بسیار متنوع‌تر از شناساگرهای آنتی‌بادی است. استفاده از آن راحت‌تر است و از آنزیم می‌توان بارها استفاده کرد. عامل محدودکننده طول عمر این سنسورها، پایداری آنزیم است. این شناساگرها از مکانیسم‌های مختلفی برای شناسایی ترکیبات زیستی استفاده می‌کنند.

• آنالیت را به مولکولی قابل شناسایی به‌وسیله بیوسنسور تبدیل می‌کنند.
• آنالیت مهارکننده یا فعال‌کننده آنزیم است.
• تغییرات کنفورماسیونی آنزیم پس از اتصال به سوبسترا به‌وسیله شناساگر تشخیص داده می‌شود.

گروه دیگر شناساگرهای بیوسنسورها، اسیدهای نوکلئوئیکی هستند. در این بیوسنسورها، شناساگر توالی اسید نوکلئوئیکی یا آپتامر (اسید نوکلئیک بر پایه آنتی‌بادی) است. در نوع اول این شناساگر، تغییر نوری ایجاد شده به‌وسیله اتصال جفت بازهای مکمل بین شناساگر و آنالیت به‌وسیله سنسور تشخیص داده می‌شود. آپتامرها توالی نوکلئوتیدی تک‌رشته‌ای و کوچکی هستند که علاوه بر اسید نوکلئیک، پروتئین‌ها، پپتیدها، توکسین‌ها و سلول‌های زنده را شناسایی می‌کنند.

در بعضی از بیوسنسورها از بافت، سلول‌ها یا یکی از اندامک‌های مشخص درون سلولی ازجمله لیزوزوم، میتوکندری و کلروپلاست برای شناسایی آنالیت‌ها استفاده می‌شود. برای مثال میتوکندری یکی از اندامک‌های فعال در متابولیسم یون کلسیم است. به همین دلیل می‌توان از آن در بیوسنسورهای تشخیص کلسیم استفاده کرد.

مبدل های بیوسنسور:

در ابتدای بخش بیوسنسور توضیح دادیم که انواع مختلفی از مبدل‌ها، برهم‌کنش شناساگر-آنالیت را به پیام قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند. مبدل‌های الکتروشیمیایی معمولا در سنسورهایی استفاده می‌شوند که واکنش آنزیمی به‌وسیله انتقال الکترون (اکسایش-کاهش) انجام می‌شود. کانال‌های یونی، دسته دیگری از مبدل‌ها هستند که اتصال شناساگر-آنالیت سبب تغییر کنفورماسیون آن‌ها باز شدن کانال و جریان یون‌ها خواهد شد. پارامتر قابل اندازه‌گیری در این بیوسنسورها، تغییر الکتریکی حاصل از جریان یون است.

مبدل‌های فلوئورسنت یکی از پرکاربردترین انواع مبدل در حسگرهای زیستی هستند. تغییر تابش نور این مولکول‌ها پس از برهم‌کنش آنالیت-شناساگر، سیگنال قابل اندازه‌گیری بخش الکتریکی است. استفاده از مولکول‌های فلوئورسانسی که طیف نشری آن‌ها با آمینواسیدهای آروماتیک ازجمله تریپتوفان تفاوت دارد، حساسیت، دقت و کاربرد بیوسنسور را افزایش می‌دهد.

مبدل‌ها میدان مغناظیسی و پیزوالکتریک، گروه آخر مبدل‌های حسگرهای زیستی هستند. مبدل‌های مغناطیسی ذرات یا بلورهای پارامغناطیس یا فرومغناطیسی هستند که شناساگر در سطح آن‌ها قرار می‌گیرد. اتصال شناساگر-آنالیت این بار ویژگی‌های مغناطیسی این مواد را تغییر می‌دهد که آشکارساز آن را تبدیل به سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل خواهد کرد. مبدل‌های پیزوالکتریک، بلورهای جامدی هستند که شکل آن‌ها با تغییر پتانسیل الکتریکی به شکل برگشت‌پذیر تغییر می‌کند. بلور کوارتز یکی از این مبدل‌ها است.

کامپیوتر های زیستی:

مغز کامپیوتر زیستی بسیار پیچیده‌ای است که تمام فعالیت‌های انسان را کنترل می‌کند. کامپیوترهای زیستی یا آلی از مولکول‌های زیستی به جای مدارهای الکتریکی برای انجام معادلات محاسباتی استفاده می‌کنند. این کامپیوترهای آلی دقیقا مثل کامپیوترهای الکتریکی، دیتاهای مختلف را دریافت و تحلیل می‌کنند. برای بهتر عملکرد این کامپیوترها، سنتز پروتئین را در نظر بگیرید. اطلاعات حیاتی در DNA ذخیره شده است (ورودی). این اطلاعات به‌وسیله واکنش‌های آنزیمی و استفاده از آمینواسیدها، RNA و ریبوزوم (معادلات محاسباتی) به پروتئین (خروجی) تبدیل می‌شود. برای ساخت این مدار در این کامپیوترها می‌توان از ترکیب مواد آلی طبیعی یا سنتزی، DNA دستکاری شده برای ذخیره و تحلیل دیتا یا ساخت ژنوم عملکردی جدید به‌وسیله زیست شناسی مصنوعی استفاده کرد. کامپیوترهای بیوشیمیایی، بیومکانیکی و بیوالکتریکی سه گروه اصلی این سیستم‌ها هستند.

کامپیوترهای بیوشیمیایی:

این کامپیوترها از لوپ‌های بازخوردی فراوانی که ویژگی واکنش‌های بیوشیمیایی است برای انجام محاسبات بهره می‌برند. بازخورد مثبت و منفی دو مکانیسم واکنش‌های بیوشیمیایی هستند که افزایش یا کاهش خروجی مسیرهای بیوشیمیایی را تنظیم می‌کنند. تعداد آنزیم‌های شرکت‌کننده در واکنش‌ها، غلظت واکنش‌دهنده‌ها و مولکول‌های تنظیمی ازجمله کوفاکتورها و کوآنزیم‌ها در این بازخوردها نقش دارند. بررسی و شناسایی دقیق این مسیرها و مولکول‌های موثر در تنظیم آن‌ها این امکان را فراهم می‌کند که بتوان این سیستم را به‌وسیله یک ورودی دیگر تغییر داد.

ترانسفورماسیون سلولی:

در زیست‌شناسی مولکولی و ژنتیک ترانسفورماسیون ایجاد تغییر در ژنوم یک سلو.ل برای ایجاد پروتئین‌هایی با ویژگی های ساختاری و عملکردی دلخواه است. سلول‌ها برای پاسخ به سیگنال‌های محیط، برقراری ارتباط با سایر سلول‌ها و محافظت از خود از برهم‌کنش ژنوم و پروتئین‌های مختلف استفاده می‌کنند. از دیدگاه مهندسی، می‌توان ارتباط بین ژن‌ها و پروتئین‌ها را مدار الکتریکی یک وسیله الکترونی در نظر گرفت. با ترکیب زیست شناسی مصنوعی و علم مواد می‌توان از مدار ژنتیکی سلول‌های مختلف برای سنتز مولکول‌های زیستی با ویژگی‌های دلخواه استفاده کرد. سنتز پیش‌ماده داروی «آرتمیسین» (Artemisinin) با استفاده از پلاسمیدهای باکتری ای. کلی یکی از مثال‌های ثابت شده این کاربرد زیست شناسی مصنوعی است. این لاکتون، دارویی است که برای درمان مالاریا استفاده می‌شود.

طراحی پروتئین:

مهندسی پروتئین‌های طبیعی بدن امکان استفاده از پروتئين‌ها در صنایع داروسازی، آرایشی، غذایی و حتی چرم‌سازی را افزایش می‌دهد. این ترکیبات سازگاری بیشتری با بدن دارند و عوارض جانبی کمتری ایجاد میکنند. به علاوه به کمک آن‌ها می‌توان مکانیسم‌های مولکولی داخل بدن موجود زنده را دقیق‌تر بررسی کرد یا کارایی پروتئین‌های طبیعی را افزایش داد. برای مثال گروهی از دانشمندان با ایجاد تغییر در آلفا هلیکس‌های هموگلوبین، مولکول نوترکیبی سنتز کردند که توانایی اتصال به اکسیژن را دارد اما به دی‌اکسید کربن متصل نمی‌شود.

تولید آنزیم‌های صنعتی با فعالیت بالا، بازده بهینه و اثربخشی زیاد، یکی از پر طرفدارترین کاربردهای طراحی پروتئین به‌وسیله زیست شناسی مصنوعی است. از این روش می‌توان برای سنتز دترجنت‌ها و محصولات لبنی فاقد لاکتوز استفاده کرد.

سلول های مصنوعی:

سلول‌های مصنوعی ساختارهای غشایی هستند که مولکول‌های زیستی را محصور می‌کنند. یکی از اهداف زیست شناسی مصنوعی فهمیدن منشا حیات، مسیرهای زیستی و تولید موجود زنده جدید به کمک مولکول‌های زیستی و آلی در آزمایشگاه است. دانشمندان تلاش می‌کنند سلول‌هایی جدید با عملکردهای متنوع از تولید داروها تا پاکسازی آلودگی‌های محیطی ایجاد کنند. لیپوزوم‌های دارای مولکول‌های زیستی ازجمله سلول‌های مصنوعی هستند. اولین سلول زنده با DNA مصنوعی در سال ۲۰۱۴ تولید شد که دانشمندان ژنوم باکتری ای. کلای را با ژنومی جدید جایگزین کردند.