تنظیم ژن برای دارو و مواد ارزشمند: انقلابی در تولید با مخمر

پایه‌های طراحی نظام‌مند تنظیم ژن برای تولید مواد ارزشمند در مخمر

وقتی ژن‌ها رو به مخمر معرفی می‌کنیم تا این موجودات ریز بتونن داروها و سایر مواد باارزش رو تولید کنن، لازمه که بتونیم تولید رو به شکل قابل‌اعتمادی روشن یا خاموش کنیم. یه تیم از دانشگاه کوبه، سه تا پایه طراحی برای تنظیم ژن‌ها رو شناسایی کرده که یه راهنمای منعطف برای کنترل مؤثر تولید میکروبی ارائه میده.

می‌گن که DNA نقشه‌ی راه زندگیه و به سلول‌های ما دستور میده که چی تولید کنن. ولی DNA شامل کلیدهایی هم هست که به این سلول‌ها دستور میدن کی و چقدر یه چیزی رو تولید کنن. بنابراین، وقتی ژن‌های جدید رو به سلول‌ها معرفی می‌کنیم تا مواد شیمیایی مفید مثل داروها یا مواد اولیه برای تولید شیمیایی رو بسازن، لازمه که یه کلید ژنتیکی هم اضافه کنیم. این کلید یه تیکه از DNA هست به اسم “پروموتر” و وظیفه‌ش اینه که به سلول‌ها بگه بر اساس نیاز، تولید رو شروع کنن.

ماساهیرو تومینگا، مهندس زیست‌فناوری دانشگاه کوبه میگه: “مشکل اینه که این پروموترها رو نمیشه همینطوری و بدون درک عمیق از نحوه‌ی تعاملشون با بقیه‌ی عناصر ژنتیکی استفاده کرد. در واقع، تعداد کمی از محققان از پروموتورهای مصنوعی برای کنترل دقیق تولید سلولی و رسیدن به اهداف تحقیقاتیشون استفاده می‌کنن.” گاهی اوقات تولید خیلی کمه و بعضی وقتا هم “نشت” داره، یعنی نمیشه اونو هر وقت خواستیم خاموش کنیم. این قضیه بخصوص در مورد مهندسی ژنتیک مخمر صدق می‌کنه که نسبت به باکتری‌ها، تنظیم ژنتیکی پیچیده‌تری داره. ولی این پیچیدگی بیشتر، امکان تولید خیلی از مواد شیمیایی مفید رو هم فراهم می‌کنه.

تومینگا و همکاراش، که از تیم تحت رهبری ایشی جون به عنوان متخصص تو اصلاح سلول‌های مخمر کمک گرفتن، یه رویکرد منظم برای طراحی پروموتورهای مؤثر در پیش گرفتن. تومینگا توضیح میده: “به این فکر رسیدیم که با توضیح دقیق روند بهبود یه پروموتر نمونه، می‌تونیم یه ‘راهنمای استفاده’ برای دستیابی به کنترل دقیق و با عملکرد بالا تهیه کنیم تا بشه از این سیستم‌های ژنتیکی بیشتر استفاده کرد.”

در مقاله‌ای که الان تو مجله‌ی Nature Communications منتشر شده، اونها سه تا پایه طراحی برای پروموتورهای مخمر رو توضیح میدن. اولین پایه اینه که اگه محققان به مقدار زیادی از محصول نیاز دارن و ضمناً باید بتونن تولید رو هر وقت خواستن روشن یا خاموش کنن، باید چند نسخه از عناصر تنظیمی رو که این امکان رو فراهم می‌کنن، داخل پروموتر قرار بدن.

کم کردن نشت و افزایش بازده در پروتئین‌سازی

این روش باعث کاهش نشت و افزایش بازدهی میشه. دوم اینکه، فاصله بین عناصر پروموتر باید تا حد ممکن کم باشه تا بازدهی بیشتر بشه. و سوم اینکه، پروموتر باید از DNA اطرافش عایق‌بندی بشه؛ با اضافه کردن DNA اضافه قبل از اون، نشت بیشتر کم میشه. تومینگا میگه: «ما نشون دادیم که عملکرد یه پروموتر رو می‌شه با تغییرات ساده در توالی‌های اطرافش، بیش از ۱۰۰ برابر بهتر کرد. این اولین مطالعه‌ای هست که به‌طور واضح یه راه‌حل برای این مشکل ارائه میده که چرا پروموترهای قوی توی بعضی محیط‌ها کار می‌کنن و تو بعضی محیط‌های دیگه نه.»

نشان دادن کارایی سیستم توسط مهندسان زیستی دانشگاه کوبه

مهندس‌های زیستی دانشگاه کوبه با نشون دادن تولید دو تا پروتئین دارویی مفید به اسم «بیولوژیک‌ها»، کارایی سیستمشون رو نشون دادن. اون‌ها نه تنها تونستن این دو تا بیولوژیک رو تو سویه‌های مختلف مخمر تولید کنن، بلکه تونستن این کار رو تو یه سویه واحد و با قابلیت کنترل مستقل تولید هر بیولوژیک تو هر زمانی انجام بدن. این موضوع خیلی مهمه چون تو بیمارستان‌ها کاربردهای بالقوه‌ای داره. همون‌طور که تیم تو مطالعه توضیح میده: «علاوه بر تولید سنتی بیولوژیک‌های تک، تولید سریع و دوز واحد از چند بیولوژیک با یه سویه مخمر، تو شرایط اضطراری که نیاز به سرعت و انعطاف‌پذیری هست، حیاتیه.»

تولید پروتئین کروناویروس و انعطاف‌پذیری طراحی

اون‌ها همچنین تونستن پروتئین کروناویروس رو تولید کنن که می‌تونه برای ساخت درمان‌ها استفاده بشه و این موضوع به‌خوبی کارایی و انعطاف‌پذیری اصول طراحی اون‌ها رو نشون میده. تومینگا دیدگاه وسیع‌تری درباره‌ی پیامدهای این مطالعه داره: «زیست‌شناسی مصنوعی دنبال اینه که عملکردهای بیولوژیکی جدید رو از طریق بازنویسی توالی‌های ژنومی ایجاد کنه. اما واقعیت اینه که ما اغلب با تغییرات غیرمنتظره‌ای که از ویرایش‌هامون ناشی میشن، گیج میشیم. امیدواریم که مطالعه‌ی ما اولین قدم به سمت توانایی طراحی هر کدوم از پایه‌های ژنوم، با اهداف مشخص، باشه.»

حمایت مالی و همکاری‌های تحقیقاتی

این تحقیق با حمایت مالی آژانس تحقیقات و توسعه‌ی پزشکی ژاپن (گرنت‌های JP21ae0121002، JP21ae0121005، JP21ae0121006، JP21ae0121007، JP20ae0101055 و JP20ae0101060)، آژانس علوم و فناوری ژاپن (گرنت‌های JPMJCR21N2 و JPMJGX23B4) و انجمن ترویج علم ژاپن (گرنت‌های JP23K26469، JP23H01776 و JP18K14374) انجام شد. این تحقیق با همکاری محققان شرکت Pharma Foods International و مؤسسه ملی علوم بهداشتی انجام شد.