کشف یک کد ژنتیکی جدید در آرکیاها، درهای تازه‌ای را برای کاربردهای مهندسی زیستی می‌گشاید
توسط هوپ هندرسن، مؤسسه نوآور ژنومیک
کد ژنتیکی همان دستورالعمل زندگی است و نحوهٔ ساخت پروتئین‌ها را تعیین می‌کند، که عموماً فقط از بیست اسید آمینه استفاده می‌شود. اما برخی از میکروارگانیسم‌ها کد ژنتیکی توسعه‌یافته‌ای دارند که در آن یک یا دو اسید آمینهٔ جدید به پروتئین افزوده می‌شود — یافته‌ای که در مهندسی زیستی بهره‌برداری شده است.
در مقاله‌ای منتشرشده در Science، ورونیکا کیونسون به همراه پژوهشگر IGI جیل بنفیلد، آلانا شِپارْتز از دانشگاه کالیفرنیا‑برکلی و همکاران در CGEM، مؤسسه پاستور و سایر مراکز، کد ژنتیکی جدیدی را که در انواع مختلف میکروارگانیسم‌ها به نام آرکیاها وجود دارد، شناسایی کردند.
این نتایج می‌توانند به دانشمندان در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کنند و همچنین می‌توانند توسط شیمیدان‌ها برای ساخت پروتئین‌های نوین و مواد مفید شبیه پلیمر به‌کار روند.
ژن‌ها از کدون‌ها تشکیل می‌شوند؛ یعنی توالی‌های سه حرفی DNA یا RNA که یک اسید آمینه یا سیگنال توقف را در سنتز پروتئین تعیین می‌کنند.
کدهای ژنتیکی گسترش یافته معمولاً یکی از کدون‌های توقف مرسوم را بازتعریف می‌کنند تا به‌جای توقف، افزودن یک اسید آمینهٔ غیرعادی را فعال سازند. پیش‌تر نمونه‌های نادری در آرکیاها وجود داشته‌اند که در آن یک کدون توقف به‌جای توقف، اسید آمینهٔ پیروولیسین را به پروتئین اضافه می‌کند.
ولی تا کنون، این پدیده تنها در تعداد محدودی از پروتئین‌های خاص در شاخه‌های مشخصی از درخت حیات به‌صورت طبیعی مشاهده شده بود. در یک مقالهٔ جدید، پژوهشگران چندین گروه از آرکیاها را شناسایی کردند که هر بار کدون توقف موردنظر را به‌عنوان سیگنال پیروولیسین می‌خوانند.
«کد ژنتیکی گسترش یافته، کدی است که DNA به شکل متفاوتی از انتظار خوانده می‌شود. تا کنون، تنها یک کد ژنتیکی در آرکیاها گزارش شده بود، اما این مقاله یک کد ژنتیکی جدید را معرفی می‌کند. کدون توقف خاص اکنون به‌طور جهانی به‌عنوان پیروولیسین خوانده می‌شود»، می‌گوید بنفیلد.
تنها در صورتی که کد را درک کنیم می‌توانیم این ارگانیسم‌ها و قابلیت‌هایشان را بفهمیم.
این کد گسترش یافته جدید بارها در نقاط مختلف درخت ژنتیکی آرکیاها ظاهر شده و دیدگاه سنتی مبنی بر اینکه تغییرات کد ژنتیکی نادر هستند را به چالش می‌کشد.
درک و مداخله در چرخه‌های متان
بسیاری از پروتئین‌های آرکیا که از پیروولیسین استفاده می‌کنند، در چرخه‌سازی متان نقش دارند؛ گازی گلخانه‌ای که ۲۷ برابر دی‌اکسید کربن قدرت دارد و یکی از عوامل اصلی گرم‌شدن جهانی است. در واقع، تمام آرکیاهایی که کد ژنتیکی گسترش یافته دارند، شناخته شده‌اند که متان تولید می‌کنند.
تحول این کد ژنتیکی جایگزین توسط نیاز متابولیکی به آنزیم‌های حاوی پیروولیسین هدایت شد که امکان مصرف ترکیباتی به‌نام متیل‌آمین‌ها را فراهم می‌کرد؛ ترکیباتی که در محیط زیست شایع هستند. بخش متیل این ترکیبات به متان تبدیل می‌شود.
قبل از نتایج تیم، کد ژنتیکی این میکروب‌ها به‌درستی تفسیر نشده بود؛ پژوهشگران نتوانستند صدها پروتئین حاوی پیروولیسین را شناسایی کنند.
شناسایی صحیح این کد هم‌اکنون امکان درک بهتر نقش این موجودات در چرخه‌های متان و انتشار گازهای گلخانه‌ای را فراهم می‌کند.
ساخت پروتئین‌های نوین برای پزشکی و دیگر حوزه‌ها
گسترش کد ژنتیکی به‌طور گسترده‌ای در تحقیقات بنیادی علمی و مهندسی زیستی به‌کار می‌رود. این فناوری برای اولین بار تقریباً ۲۵ سال پیش، توسط پروفسور پیتر شولتز از دانشگاه کالیفرنیا‑برکلی برای خلق پروتئین‌های نوین به‌کار گرفته شد.
شولتز توانست کدون توقف را بازبرنامه‌ریزی کند تا اسیدهای آمینه‌ای که به‌طور طبیعی در سلول‌ها وجود ندارند، به پروتئین‌های سفارشی اضافه کند.
میکروارگانیسم‌های دارای کدهای گسترش یافته می‌توانند به‌صورت فرهنگ‌های خالص رشد کنند، یا قطعات ژنوم آن‌ها به‌طور مستقیم به باکتری‌های E. coli، مخمر یا سلول‌های انسانی منتقل شوند و در داخل سلول‌ها به‌عنوان کارخانجات پروتئینی عمل کنند.
بر پایهٔ پژوهش شولتز، صدها اسید آمینهٔ نوین به‌صورت دقیق در پروتئین‌ها با استفاده از گسترش کد ژنتیکی مهندسی شده‌اند. این پروتئین‌ها در پژوهش و صنعت برای ساخت داروهای پادسقزی و ایمونوتراپی‌ها به‌کار رفته‌اند.
امکاناتی که کد جدید می‌تواند ارائه دهد
تیم آزمایشگاه بنفیلد پرسید که آیا نتایجشان می‌تواند در مهندسی زیستی به‌کار برود، بنابراین به شیمیدان و زیست‌سنتزگر دانشگاه کالیفرنیا‑برکلی، آلانا شِپارْتز، مراجعه کردند.
شِپارْتز و تیم او سیستم‌های پیروولیسین استخراج‌شده از هشت گروه مختلف آرکیا را با انتقال به باکتری E. coli آزمایش کردند.
«چالش بزرگ این است که گسترش کد ژنتیکی همیشه قابل پیش‌بینی نیست»، می‌گوید شِپارْتز.
موفقیت فناوری کنونی بسته به زمینهٔ توالی RNA، سویهٔ میکروب، و ساختار اسید آمینهٔ نوین متفاوت است. پیش‌بینی موفقیت بسیار دشوار است؛ بنابراین برای بهینه‌سازی سیستم و اطمینان از بازدهی بالا و خلوص مطلوب، آزمایش‌های فراوان ضروری است.
به‌نظر می‌رسد موجودات شناسایی‌شده در این مطالعه راه‌حل طبیعی‌ای برای این مشکل یافته‌اند. این شگفت‌انگیز است و نمونه‌ای دیگر از اینکه چگونه زیست‌شناسی رازهایی را در خود حفظ می‌کند که نوآوری‌های بیوتکنولوژیکی را به‌وجود می‌آورد.
اطلاعات بیشتر: ورونیکا کیونسون و همکاران، یک کد ژنتیکی آرکیا با تمام کدون‌های TAG به‌عنوان پیروولیسین، Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu2404
اطلاعات مجله: Science
ارائه‌شده توسط مؤسسه نوآور ژنومیک