راهنمای رمزهای ژنتیکی مخمر برای نوآوری‌های علمی

اصول طراحی تنظیم ژن برای تولید مواد مفید در مخمر

هنگامی که ژن‌ها را به مخمر وارد می‌کنند تا این موجودات داروها و سایر مواد مفید را تولید کنند، لازم است که بتوانند به‌طور قابل‌اعتمادی تولید را روشن یا خاموش کنند. تیمی از دانشگاه کوبه سه اصل طراحی تنظیم ژن را شناسایی کرده است که راهنمایی انعطاف‌پذیر برای کنترل مؤثر تولید میکروبی فراهم می‌کند.

گفته می‌شود که DNA نقشه‌راه زندگی است و به سلول‌های ما می‌گوید چه چیزی تولید کنند. اما DNA همچنین شامل سوئیچ‌هایی است که به این سلول‌ها می‌گوید چه زمانی باید چیزی تولید کنند و چه مقدار از آن. بنابراین، هنگام وارد کردن ژن‌های جدید به سلول‌ها برای تولید مواد شیمیایی مفید مانند داروها یا مواد اولیه برای تولید شیمیایی، ضروری است که یک سوئیچ ژنتیکی، که قطعه‌ای از DNA به نام «پروموتر» است، نیز گنجانده شود تا به سلول‌ها بگوید تولید را در زمان لازم آغاز کنند.

مهندس زیست‌فناوری دانشگاه کوبه، ماساهیر تو میناگا، می‌گوید: “مشکل این است که این پروموترها نمی‌توانند به‌صورت «پلاگ‌اند پلای» استفاده شوند مگر اینکه محققان به‌طور عمیق درک کنند که چگونه با سایر عناصر ژنتیکی تعامل دارند. در واقع، موارد زیادی وجود ندارد که محققان از پروموترهای مصنوعی برای کنترل دقیق تولید سلولی و دستیابی به اهداف تحقیقاتی خود استفاده کنند.”

گاهی اوقات تولید خیلی کم است و گاهی اوقات «نشت» دارد، به این معنی که نمی‌توان آن را به دلخواه خاموش کرد. این موضوع به‌ویژه در مورد مهندسی ژنتیکی مخمر صدق می‌کند که در مقایسه با باکتری‌ها، تنظیم ژنتیکی پیچیده‌تری دارد. اما این پیچیدگی افزوده، همچنین امکان تولید بسیاری از مواد شیمیایی مفید را فراهم می‌کند.

به‌عنوان کارشناسان در اصلاح سلول‌های مخمر، تو میناگا و همکارانش از تیم ایشی جون رویکردی سیستماتیک برای طراحی پروموترهای مؤثر اتخاذ کردند. تو میناگا توضیح می‌دهد: “ما به این ایده رسیدیم که با توصیف دقیق فرآیند بهبود یک پروموتر نمونه، می‌توانیم یک راهنمای کاربر برای دستیابی به کنترل دقیق و عملکرد بالا تهیه کنیم تا این سیستم‌های ژنتیکی به‌طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار گیرند.”

در مقاله‌ای که اکنون در مجله Nature Communications منتشر شده است، آن‌ها سه اصل طراحی برای پروموترهای مخمر را توصیف می‌کنند. اولین اصل این است که اگر محققان به مقادیر زیادی از محصول نیاز دارند و همچنین باید بتوانند تولید را به دلخواه روشن یا خاموش کنند، باید چندین نسخه از عناصر تنظیمی را که این کار را ممکن می‌سازد، درون پروموتر وارد کنند.

کاهش نشت و افزایش بهره‌وری در پروتئین‌های دارویی

این روش نشت را کاهش داده و بهره‌وری را افزایش می‌دهد. دومین نکته این است که فاصله بین عناصر پروموتر باید به حداقل ممکن برسد تا بهره‌وری بیشتر شود. سومین نکته این است که پروموتر باید از DNA اطراف خود عایق‌بندی شود، به‌طوری‌که DNA اضافی قبل از آن قرار گیرد تا نشت را بیشتر کاهش دهد. تومینگا می‌گوید: “ما نشان دادیم که عملکرد یک پروموتر می‌تواند بیش از ۱۰۰ برابر با تغییر در توالی‌های اطراف آن بهبود یابد. این اولین مطالعه‌ای است که به‌وضوح راه‌حلی برای مشکل اینکه چرا پروموترهای قوی در مخمر در برخی محیط‌ها کار می‌کنند و در برخی دیگر نه، ارائه می‌دهد.”

مهندسان زیستی دانشگاه کوبه با نمایش تولید دو پروتئین دارویی مفید به‌نام “بیولوژیک‌ها”، کارایی سیستم خود را نشان دادند. آن‌ها نه تنها توانستند این دو بیولوژیک را در مخمرهای جداگانه تولید کنند، بلکه در یک سویه واحد و با قابلیت کنترل مستقل تولید هر بیولوژیک در هر زمان نیز موفق شدند. این نکته اهمیت دارد، زیرا کاربردهای بالقوه‌ای در بیمارستان‌ها دارد. همان‌طور که تیم در مطالعه توضیح می‌دهد: “علاوه بر تخمیر متعارف بیولوژیک‌های منفرد، تولید سریع و دوز واحد چندین بیولوژیک با یک سویه مخمر در محل مراقبت، برای مواقع اضطراری که به سرعت و انعطاف‌پذیری بیشتر از خلوص و بهره‌وری نیاز دارند، حیاتی است.”

آن‌ها همچنین موفق به تولید پروتئین کروناویروس شدند که می‌تواند برای تولید درمان‌ها استفاده شود. این امر به‌خوبی نشان‌دهنده کارایی و انعطاف‌پذیری اصول طراحی آن‌هاست. تومینگا دیدگاه وسیع‌تری درباره پیامدهای این مطالعه ارائه می‌دهد: “زیست‌شناسی سنتتیک به دنبال ایجاد عملکردهای بیولوژیکی جدید از طریق بازنویسی توالی‌های ژنومی است. اما واقعیت این است که ما اغلب با تغییرات غیرمنتظره ناشی از ویرایش‌های خود گیج می‌شویم. امیدواریم که مطالعه ما اولین قدم به سمت توانایی طراحی هر یک از پایه‌های ژنوم با نیت‌های واضح باشد.”

این تحقیق با حمایت سازمان تحقیقات و توسعه پزشکی ژاپن (کمک‌های مالی JP21ae0121002، JP21ae0121005، JP21ae0121006، JP21ae0121007، JP20ae0101055 و JP20ae0101060)، سازمان علم و فناوری ژاپن (کمک‌های مالی JPMJCR21N2 و JPMJGX23B4) و انجمن پیشبرد علم ژاپن (کمک‌های مالی JP23K26469، JP23H01776 و JP18K14374) انجام شد. این تحقیق در همکاری با محققان شرکت Pharma Foods International Co. Ltd و موسسه ملی علوم بهداشتی صورت گرفت.