ساختن سلول زنده از صفر: راز جدید دانشمندا (و کاربردش برای آینده)

یه سوال اساسی تو علم: چطور سلول زنده از یه مشت مولکول بی‌جون ساخته می‌شه؟

یکی از سوالای مهم تو علم اینه که چطور مولکولای بی‌جون می‌تونن دست به دست هم بدن و یه سلول زنده رو بسازن؟ برت پولمن، استاد بیوشیمی دانشگاه گرونینگن، بیشتر از ۲۰ ساله که داره رو این موضوع کار می‌کنه. هدفش اینه که زندگی رو از نو بسازه و بفهمه. واسه همین داره نسخه‌های ساده‌شده‌ای از سیستمای بیولوژیکی می‌سازه که می‌تونن به عنوان قطعات یه سلول مصنوعی استفاده بشن.

تحقیقات جدید پولمن

پولمن اخیرا دو تا مقاله تو مجله‌های Nature Nanotechnology و Nature Communications چاپ کرده. تو مقاله اول، یه سیستم معرفی کرده که انرژی رو تبدیل می‌کنه و محصولات حاصل از این واکنش بین سلول‌های مصنوعی رو به هم می‌رسونه. تو مقاله دوم هم سیستمی رو توضیح داده که مواد مغذی رو تو سلولا جمع و جور می‌کنه و تغییر می‌ده.

شش تا موسسه تحقیقاتی هلندی با هم تو یه کنسرسیوم به‌اسم BaSyc (ساخت یه سلول مصنوعی) دارن همکاری می‌کنن تا اجزای لازم واسه یه سلول مصنوعی رو بسازن. گروه پولمن روی تبدیل انرژی کار می‌کنه و می‌خواد میتوکندری‌ها رو که مثل «نیروگاه‌های انرژی» سلول هستن، دوباره بسازه. این میتوکندری‌ها از مولکول ADP استفاده می‌کنن تا ATP بسازن که سوخت اصلی و مورد نیاز سلول‌هاست. وقتی ATP به ADP تبدیل می‌شه، انرژی آزاد می‌شه و واسه بقیه کارا استفاده می‌شه.

نیروگاه‌های انرژی مصنوعی

پولمن می‌گه: «سیستم ما واسه تبدیل انرژی، به جای صدها جزء میتوکندری، فقط از پنج تا جزء استفاده می‌کنه. ما سعی کردیم این سیستم رو تا جایی که می‌شه ساده کنیم.» شاید عجیب به نظر برسه، چون تکامل خیلی خوب سیستمای کاربردی ساخته. اون توضیح می‌ده: «اما تکامل مثل یه خیابون یه طرفه‌ست و از چیزایی که هست استفاده می‌کنه، که معمولا باعث می‌شه نتیجه کار خیلی پیچیده بشه.» اما یه نسخه مصنوعی رو میشه با یه هدف خاص طراحی کرد.

این پنج تا جزء داخل وزیکول‌ها قرار می‌گیرن، که کیسه‌های کوچیکی هستن شبیه سلول. اینا می‌تونن ADP و همچنین آمینواسید آرژنین رو از مایع دور و برشون بگیرن. آرژنین «سوزونده» (دی‌آمینه‌) می‌شه و اینطوری انرژی لازم واسه ساخت ATP فراهم می‌شه، که از وزیکول بیرون می‌آد. پولمن اضافه می‌کنه: «البته، این ساده‌سازیه یه ضررایی هم داره: ما فقط می‌تونیم از آرژنین به عنوان منبع انرژی استفاده کنیم، در حالی که سلولا از مولکولای مختلفی مثل آمینواسیدها، چربی‌ها و قندها استفاده می‌کنن.»

بعدش، گروه پولمن یه وزیکول دیگه طراحی کردن که می‌تونه ATP آزاد شده رو بگیره و ازش واسه انجام یه واکنش انرژی‌بر استفاده کنه. انرژی از تبدیل ATP به ADP به دست می‌آد، که این هم دوباره آزاد می‌شه و وزیکول اول می‌گیرتش و اینطوری چرخه تکمیل می‌شه.

چرخه تولید و مصرف ATP: پایه و اساس متابولیسم تو سلولای زنده

چرخه تولید و مصرف ATP، اصل و اساس متابولیسم تو هر سلول زنده‌ایه و «دستگاه» لازم برای واکنش‌های انرژی‌بر مثل رشد، تقسیم سلولی، ساخت پروتئین، تکثیر DNA و بقیه کارا رو به حرکت درمی‌آره.

سیستم پمپاژ مصنوعی

دومین ماژولی که پولمن درست کرده، یکم فرق داشت: یه وزیکول که توش یه فرایند شیمیایی باعث می‌شه که داخلش بار منفی جمع بشه و اینطوری، یه پتانسیل الکتریکی مثل یه مدار الکترونیکی درست می‌شه. از این پتانسیل الکتریکی استفاده می‌شه واسه اینکه حرکت بار با جمع شدن مواد مغذی تو وزیکول، که توسط پروتئین‌های حمل‌کننده انجام می‌شه، هماهنگ بشه.

این پروتئین‌ها تو غشای وزیکول، یه جورایی شبیه چرخ آب کار می‌کنن: پروتونای مثبت از بیرون وزیکول به داخلش که بار منفی داره، «وارد» می‌شن. این جریان، حامل رو به حرکت درمی‌آره و تو این مورد، مولکول قند لاکتوز رو وارد می‌کنه. این یه فرایند خیلی رایج تو سلولای زنده ست که به اجزای زیادی نیاز داره، در حالی که پولمن و تیمش فقط با دو تا جزء این فرایند رو شبیه‌سازی کردن.

وقتی اون مقاله رو درباره این سیستم فرستاد، یکی از داورها پرسید که آیا نمی‌تونه با لاکتوزی که داره حمل می‌کنه، کاری انجام بده، چون سلولا از این نوع مواد مغذی واسه ساختن بلوکای سازنده مفید استفاده می‌کنن. پولمن این چالش رو قبول کرد و سه تا آنزیم دیگه به سیستم اضافه کرد که قند رو اکسید می‌کرد و باعث می‌شد کوآنزیم NADH درست بشه. اون توضیح می‌ده: «این مولکول کمکی تو درست کار کردن همه سلولا نقش مهمی داره.» اون ادامه می‌ده: «و با اضافه کردن تولید NADH، نشون دادیم که می‌شه سیستم رو گسترش داد.»

سلول مصنوعی: قدم بعدی

داشتن یه نمونه مصنوعی ساده از دو تا ویژگی اصلی زندگی، خیلی خوبه، اما واسه ساختن یه سلول مصنوعی که خودش رشد کنه و تقسیم بشه، باید مراحل بیشتری رو با هم ترکیب کرد. پولمن می‌گه: «قدم بعدی که می‌خوایم برداریم، اضافه کردن سیستمای تولید انرژی متابولیک‌مون به یه سیستم تقسیم سلولی مصنوعیه که همکارا ساختنش.»

برنامه BaSyc داره به سالای آخرش می‌رسه و اخیرا بودجه واسه یه برنامه جدید فراهم شده. یه کنسرسیوم بزرگ از گروه‌های هلندی، که پولمن یکی از دانشمندان مهمشه، ۴۰ میلیون یورو پول گرفتن که زندگی رو از ماژولای بی‌جون بسازن. اسم این پروژه EVOLF هست و قراره ده سال دیگه ادامه پیدا کنه و هدفش اینه که بفهمه چند تا ماژول بی‌جون می‌تونن با هم جمع بشن و سلولای زنده رو به‌وجود بیارن. پولمن نتیجه می‌گیره: «آخرش، این به ما یه الگو واسه زندگی می‌ده، چیزی که الان تو زیست‌شناسی کمبودش احساس می‌شه.» اون اضافه می‌کنه: «این ممکنه آخرش کاربردهای مختلفی داشته باشه، ولی همچنین کمک می‌کنه که بهتر بفهمیم زندگی چیه.»