سلول‌های برنامه‌ریز: انقلاب در مدارهای ژنتیکی با ابزارهای نوین RNA

تحقیقات جدید در زمینه فناوری مدارهای ژنتیکی مصنوعی

تیم تحقیقاتی پروفسور جونگ مین کیم در دانشگاه POSTECH فناوری جدیدی را توسعه داده است که دقت و چگالی ادغام مدارهای ژنتیکی مصنوعی را بهبود می‌بخشد. این تیم، که تحت رهبری پروفسور کیم از دانشکده علوم زیستی دانشگاه POSTECH و با همکاری دانشجویان تحصیلات تکمیلی هیون‌سئوب گو و سئونگ‌دو چوی فعالیت می‌کند، موفق به توسعه عنصر جدیدی به نام «عنصر جفت‌سازی ترجمه‌ای مصنوعی» (SynTCE) شده است که به‌طور قابل توجهی دقت و چگالی ادغام مدارهای ژنتیکی در بیولوژی مصنوعی را افزایش می‌دهد. این تحقیق به‌تازگی در نشریه بین‌المللی «تحقیقات اسید نوکلئیک» منتشر شده است.

بیولوژی مصنوعی و کاربردهای آن

بیولوژی مصنوعی یک حوزه تحقیقاتی است که به موجودات زنده، عملکردهای جدید را با استفاده از ابزارهای تنظیم ژنتیکی طبیعی و مصنوعی می‌دهد. موجودات مهندسی‌شده از طریق بیولوژی مصنوعی می‌توانند در زمینه‌های مختلفی از جمله درمان بیماری‌ها، میکروارگانیسم‌های تجزیه‌کننده پلاستیک و تولید سوخت زیستی مورد استفاده قرار گیرند. به‌ویژه، سیستم «اپرون پلی‌سیسترانیک» که در آن چندین ژن به‌طور هماهنگ بیان می‌شوند تا مجموعه‌هایی را تشکیل دهند و عملکردهای خاصی را انجام دهند، در حداکثر کردن کارایی کدگذاری با منابع محدود بسیار حیاتی است.

چالش‌ها در طراحی مدارهای ژنتیکی پیچیده

با این حال، برای طراحی دقیق مدارهای ژنتیکی پیچیده، باید تداخل بین اجزای بیولوژیکی به حداقل برسد و چگالی کدگذاری برای ادغام مؤثر مدارهای ژنی افزایش یابد. اجزای تنظیمی ترجمه‌ای مبتنی بر RNA مصنوعی معمولاً در تنظیم چندین ژن و دستیابی به دقت بالا در عملکرد مدار با چالش‌هایی مواجه‌اند که ناشی از تداخلات در فرآیند ترجمه پروتئین است.

این پیشرفت‌ها می‌تواند به توسعه مدارهای ژنتیکی پیچیده‌تر و کارآمدتر منجر شود که در نهایت به بهبود عملکرد موجودات مهندسی‌شده کمک خواهد کرد.

تحقیقات جدید در زمینه مهندسی ژنتیک

برای حل این مسئله، تیم پروفسور کیم بر روی «پیوند ترجمه‌ای» تمرکز کرد. این مکانیزم طبیعی تنظیم ژن، معمولاً در اپرون‌ها یافت می‌شود که چندین ژن را تنظیم می‌کنند. در این مکانیزم، ترجمه ژن‌های بالادستی بر کارایی ترجمه ژن‌های پایین‌دستی تأثیر می‌گذارد.

از طریق این تحقیق، تیم «SynTCE» را طراحی کرد که این مکانیزم را شبیه‌سازی می‌کند و با موفقیت آن را با دستگاه‌های RNA بیولوژیکی مصنوعی ادغام کرد تا مدارهای ژنتیکی کارآمدتری ایجاد کند. با ادغام معماری SynTCE در یک سیستم محاسبات RNA که تیم قبلاً گزارش کرده بود، چگالی ادغام مدارهای ژنتیکی به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این کار با استفاده از SynTCE برای انتقال دقیق سیگنال‌های ورودی به ژن‌های پایین‌دستی انجام می‌شود و به سیستم‌ها این امکان را می‌دهد که به‌طور همزمان چندین ورودی و خروجی را در یک مولکول RNA کنترل کنند.

به‌ویژه، با کنترل دقیق انتهای N پروتئین‌ها و حذف تداخل در ترجمه پروتئین، SynTCE می‌تواند در فناوری «محافظت بیولوژیکی» به‌کار رود تا سلول‌های هدف را به‌طور انتخابی از بین ببرد و پروتئین‌ها را به مکان‌های برنامه‌ریزی‌شده در سلول‌ها هدایت کند. انتظار می‌رود این فناوری کنترل عملکرد دقیق را پیشرفته‌تر کرده و عملیات بیولوژیکی مورد نظر را در سلول‌ها تسهیل کند.

پروفسور جانگ مین کیم اظهار داشت: «این تحقیق پیشرفت قابل توجهی در طراحی مدارهای ژنتیکی پیچیده و دقیق به شمار می‌رود» و ابراز امیدواری کرد که «این طراحی جدید در زمینه‌های مختلفی مانند درمان‌های سلولی سفارشی، میکروارگانیسم‌ها برای پاکسازی زیست‌محیطی و تولید سوخت زیستی به‌کار رود.»

این تحقیق با حمایت سازمان‌های مختلفی از جمله مؤسسه برنامه‌ریزی و ارزیابی فناوری در کشاورزی و جنگلداری، بنیاد ملی تحقیقات کره، بودجه بیولوژی مصنوعی استان گیونگسانگbuk-do و شهر پوهانگ، پروژه تحقیق و توسعه فناوری سلامت کره، پروژه حمایت از پارک فناوری گیونگبوک، پروژه حمایت BK21 وزارت آموزش و پرورش و پروژه مؤسسه علوم پایه کره و همکاری‌های دانشگاهی-صنعتی 3.0 (LINC 3.0) انجام شده است.