معلومة

وضع علامات T7 في علم الأحياء التركيبي

وضع علامات T7 في علم الأحياء التركيبي


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

ما هي علامة T7 وهل يمكن استخدامها لتنقية البروتينات المركبة؟ هل هي تهمة مبنية مثل علامته؟


علامة T7 هي أول 11 حمضًا أمينيًا من بروتين الجين 10 T7. في الأساس ، إذا قمت بهندسة بروتين بعلامة T7 ، فقد صممت حاتمة صغيرة معروفة للبروتين محل الاهتمام والذي يمكن اكتشافه من الناحية المناعية. يقلل الحجم الصغير للحاتمة من فرصة تعطيل وظيفة البروتين الطبيعية (التي يتم تمييزها بها). إذا نظرنا إلى مجموعة تنقية التقارب في صفحة المنتج التالية ، يمكننا أن نرى أنه يمكن استخدام ناقلات معينة للتعبير عن البروتينات الموسومة بـ T7 ، ويمكن استخدام عمود الانجذاب المناعي لتنقية البروتين محل الاهتمام. يُشار هنا إلى التركيب الكيميائي لعلامة T7.


أرشيف المدونة

هنا يعلن Craig Venter عن تكرار ذاتي ناجح لخلية ذات جينوم اصطناعي بالكامل:

هذه واحدة من أكبر القصص الإخبارية لهذا العام ، وسيحدد الوقت ما هي آثارها. تمت تغطيته على نطاق واسع في وسائل الإعلام ، وسيكون بالتأكيد جزءًا من مناقشات أخلاقيات المدرسة لسنوات قادمة. الورقة العلمية الكاملة متاحة على الإنترنت هنا.

ابحث عن الأخبار والموارد لمساعدتك في الإجابة على هذه الأسئلة:

1. ما هي الطرق التي يعتبر بها هذا الكائن الحي الاصطناعي الأول؟

2. ما هي معايير النجاح لهذا الكائن الحي؟

3. ما هي وسائل الأمان التي تم وضعها في مكانها الصحيح إذا كانت البكتيريا تنتشر على نطاق واسع؟

4. ما هي بعض التطبيقات المحتملة لهذه التكنولوجيا الجديدة؟

5. ما هي بعض الآثار الأخلاقية للبيولوجيا التركيبية؟ حدد أصحاب المصلحة في النقاش وحدد وجهة نظرهم.

شارك هذا:

مثله:


PSF-CMV-PURO-COOH-FXA-T7 - C-TERMINAL T7 TAG MAMMALIAN PLASMID

تم تصميم هذا البلازميد للتعبير عن البروتينات الموسومة في خلايا الثدييات إما عن طريق تعداء عابر أو عن طريق إنشاء خطوط خلوية مستقرة. يحتوي على شريط التعبير عن مقاومة البوروميسين باستخدام محفز Ubiquitin البشري لدفع التعبير والسماح باختيار الخلايا التي تحتوي على البلازميد.

حول علامة الببتيد:يحتوي هذا البلازميد على علامة حاتمة C-terminal T7 يمكن دمجها في جين مهم للسماح باكتشاف البروتين و / أو تنقيته. تسلسل العلامة هو: MASMTGGQQMG.

حول علامة الانقسام:يشفر هذا البلازميد أيضًا موقع انقسام البروتيز المصمم ليتم وضعه بين الجين الذي يهمك والعلامة للسماح بإزالة العلامة بعد تنقية البروتين أو عزله. يحتوي هذا البلازميد على علامة انشقاق FXa. تسلسل البروتين لعلامة الانقسام هو: IEGR. ينشق بعد بقايا Arg ولكن يمكن أيضًا أن ينكسر بشكل أقل في المواقع الأساسية الثانوية. موقع الانقسام الثانوي الأكثر شيوعًا هو بين بقايا Gly و Arg على الرغم من أن تكرار هذه الأحداث خاص بالبروتين.

مستوى تعبير المروج: يحتوي هذا البلازميد على محفز CMV للثدييات لدفع التعبير الجيني. لقد اختبرنا جميع مروجي الثدييات لدينا في مجموعة من أنواع الخلايا و CMV هو الأقوى دائمًا في تلك التي درسناها. ومع ذلك ، هناك العديد من التقارير عن مروج CMV الذي يوضح إسكات المثيلة في الثقافة طويلة المدى. لهذا السبب نقوم بتخزين مجموعة من المروجين الآخرين المتوافقة مع هذا البلازميد ومتاحة عند الطلب.

تسلسل

الرجاء تحديد نوع الملف الذي تريده. كمرجع ، ستقوم معظم برامج الاستنساخ باستيراد ملف .gb (Genbank) وستظهر جميع ميزات البلازميدات تلقائيًا عند تنزيلها واستيرادها.


حديقة الحيوانات الجديدة في البيولوجيا التركيبية

يمكن للتكنولوجيات الجديدة أن تعيد هندسة الأنواع في البرية يومًا ما.

في صيف عام 2009 ، قام فريق من طلاب جامعة كامبريدج ببناء سبع سلالات من البكتيريا الإشريكية القولونية، واحد من كل لون من ألوان قوس قزح. تم إنتاج أصباغ كاروتينويد حمراء وبرتقالية عن طريق إدخال جينات من مسببات الأمراض النباتية بانتويا أناناتيس مجموعة من الجينات من كروموباكتيريوم فيولاسيوم تم تعديلها بالمثل لإنتاج الأخضر والأرجواني. إبداعات الطلاب في تكنيكولور ، والتي أطلق عليها اسم "E. chromi "في إشارة إلى الاسم العلمي للكائنات الحية ، فاز فريق كامبريدج بالجائزة الكبرى في المسابقة الدولية للآلات المهندسة وراثيًا (iGEM) في ذلك العام ، حيث يقوم طلاب المدارس الثانوية والجامعات بهندسة علم الأحياء.

لم تكن أهداف الطلاب لونية فقط. بدلا من ذلك ، كانوا يبنون أجزاء للآلات البيولوجية. قاموا بهندسة الجينات في أشكال معيارية تسمى BioBricks: قطع من الحمض النووي ، مثل Legos الوراثية ، مصممة ليتم خلطها ومطابقتها حسب الرغبة. عدة آلاف من هذه BioBricks ، التي تؤدي وظائف مختلفة ، موجودة بالفعل في سجل MIT للأجزاء البيولوجية القياسية. تكتشف بعض طوب BioBricks مواد كيميائية مثل الزرنيخ ، ويعمل البعض الآخر بمثابة "موالفات" تحدد مستوى المدخلات الكيميائية اللازمة لتشغيل جين معين. من خلال الجمع بين الجينات الجديدة المنتجة للألوان والأجزاء الموجودة ، ذهب التفكير ، يمكن للمرء بسهولة بناء أجهزة استشعار حيوية ، في وجود السموم البيئية ، تنتج مخرجات مرئية للعين المجردة.

"E. chromi "على وتر حساس مع المصممين Alexandra Daisy Ginsberg و G'06 و James King ، الذين بدأوا التعاون مع فريق iGEM. في مقطع فيديو قصير حصل على لقب أفضل فيلم وثائقي في مهرجان أفلام البيولوجيا التركيبية Bio: Fiction في عام 2011 ، تخيل Ginsberg و King مستقبلًا ممكنًا للون الحي. واقترحوا قريبًا أن يبحث العلماء في العالم الطبيعي عن أصباغ بيولوجية جديدة وعن الجينات المسؤولة عن إحداث ثورة في إنتاج الصبغة. "E. chromi "الموجود في اللبن الزبادي بروبيوتيك قد يراقب الأمراض التي تصيب الإنسان أثناء السفر عبر ميكروبات الأمعاء في الغلاف الجوي قد يتغير لونه للإشارة إلى جودة الهواء.

"أعتقد أنه مصطلح جديد لمعظم الجمهور ، علم الأحياء الاصطناعيةتأمل مضيف الإذاعة الوطنية العامة علم الجمعة في خريف عام 2009 عندما أجرى مقابلة مع فريق كامبريدج. "لكن أعتقد أننا سنسمع الكثير منها."

كيفية بناء آلة بيولوجية

مسلحين بأدوات وراثية جديدة قوية وميل للعبث ، أنشأ علماء الأحياء الاصطناعية حديقة حيوان جديدة. التصوير الفوتوغرافي "E. coliroid "أغمق استجابة للضوء. تسجل بكتيريا المستشعر وجود مادة كيميائية في أمعاء الفأر عن طريق تشغيل جينات معينة. هناك سلالات بكتريا قولونية تحسب إشارات الإدخال وغيرها التي تنفذ عمليات منطقية - خطوات نحو الحواسيب البيولوجية. لا تزال هناك سلالات أخرى لها رائحة مثل وينترجرين والموز بدلاً من رائحة الأمعاء البشرية. في عام 2005 ، كتب الباحثون الاحتفاليون أول بيت من قصيدة عيد الميلاد لفيكتور ريدبيرج "Tomten" في جينوم آخر بكتريا قولونية سلالة ، باستخدام ثلاثة توائم من نيوكليوتيدات الحمض النووي لتمثيل كل حرف ، والبكتيريا الناتجة ، كما كتبوا ، كانت "أول مثال على كائن حي" يقرأ "الشعر."

بقدر ما يوحد موضوع مشترك بين هذه الإبداعات المتنوعة ، فهو تحويل علم الأحياء إلى تخصص هندسي. كانت الهندسة الوراثية التقليدية بمثابة قص ولصق بيولوجي: يمكن للعلماء ، على سبيل المثال ، نقل جين يتحمل البرد من سمكة في القطب الشمالي إلى طماطم. تهدف البيولوجيا التركيبية إلى إعادة تنظيم أكثر جذرية. تم بناء كائناتها لتكون آلات بيولوجية ، مع وجود الحمض النووي والبروتينات في مكونات الدوائر أو خطوط رمز الكمبيوتر. تؤدي الأجزاء البيولوجية مجتمعة وظائف غير معروفة للطبيعة: معالجة الإشارات ، وإنتاج مواد كيميائية جديدة ، وتخزين المعلومات.

تقول باميلا أ.سيلفر ، أستاذة الكيمياء الحيوية وبيولوجيا الأنظمة في كلية الطب بجامعة هارفارد ، باميلا أ. ). مثلما أحدثت أجهزة الكمبيوتر ثورة في المائة عام الماضية ، كما تقول ، فإن علم الأحياء على وشك التحول في المستقبل. "بناء الآلات البيولوجية وأجهزة الكمبيوتر البيولوجية - كل ذلك يجب أن يصبح حقيقة واقعة قريبًا."

بالنسبة لعقل معين ، تشبه الخلية بالفعل آلة صغيرة ومعقدة. يأخذ المواد الكيميائية من البيئة ويقوم بردود الفعل لبناء أجزاء بيولوجية جديدة يراقب الإشارات ويقوم بتشغيل الجينات وإيقافها استجابةً لذلك. تم مقارنة الخلايا بأجهزة الكمبيوتر ، والمصانع ، والآليات. بالنسبة لعالم الأحياء التركيبي الذي لديه مثل هذه الأنظمة المعقدة الموجودة بالفعل ، فإن المهمة هي تحديد الأجزاء المناسبة ومعالجتها. يقول جيمس جيه كولينز ، أستاذ وارن المتميز في جامعة بوسطن وعضو هيئة التدريس الأساسي المؤسس في معهد ويس للهندسة المستوحاة بيولوجيًا: "العديد من المكونات الجزيئية الحيوية التي لا نبنيها من الصفر". "نحن نأخذ الأنظمة الأصلية ثم نعدلها".

إن فهم هذه الآلية المعقدة والتلاعب بها مهمة صعبة. يقول جورج تشيرش ، أستاذ علم الوراثة في وينثروب في HMS: "أفكر في الأمر كما لو أن بعض ذكاء الفضائيين أسقطوا علينا جميع ممتلكاتهم الفكرية دون توثيق" (انظر "الحمض النووي كبيانات" ، يناير وفبراير 2004 ، الصفحة 44). لا يوجد مكافئ بيولوجي مباشر للمكثف أو لأمر الحذف ، ويجب على علماء الأحياء التركيبية إعادة تجميع الأجزاء البيولوجية الموجودة بشكل خلاق من أجل بناء وظائف جديدة.

خذ ، على سبيل المثال ، مفتاح التبديل ، أحد أبسط مكونات الدائرة. قد يكون أحد الأمثلة غير البيولوجية هو مفتاح الضوء: يمكن قلبه بين حالتين منفصلتين ، في وضع التشغيل أو الإيقاف ، مع عدم وجود أي شيء بينهما. بالمعنى المجرد ، يرقى مفتاح التبديل إلى نوع من الذاكرة ، حيث تعادل حالتهما 0 و 1. هذه الثباتية لها بعض نظائرها في الطبيعة. فمصائد ذباب الزهرة ، على سبيل المثال ، لها هياكل تتناوب بين الفتح والمغلق (انظر "أوراق هذا الغداء" ، مايو - يونيو 2005 ، الصفحة 14). تقوم إشارات محددة بإرشاد الخلايا إلى البقاء في حالة سبات أو انقسام. تقوم بعض الفيروسات أيضًا بالتبديل بين حالتين متميزتين من السكون أو العدوى النشطة.

عندما بنى مختبر كولينز ملف جرثومي تبديل التبديل - أحد الأجزاء الأولى من الدوائر البيولوجية - صنعوه من جينين. كلٌّ منها يشفر بروتينًا مثبطًا للجين المعاكس بمجرد تشغيل أحد الجين ، يؤدي إلى إيقاف الجين الآخر. يمكن قلب المفتاح عن طريق إعطاء الخلية إشارة كيميائية محددة ، وتعطيل بروتين الكابح النشط والسماح للآخر بالسيطرة. مع تشغيل الجين الثاني الآن ، وإيقاف تشغيل الأول ، سيظل المفتاح مقلوبًا لفترة طويلة بعد اختفاء الإشارة. كتب كولينز عندما نشر فريقه تصميمه في عام 2000 ، "كوحدة ذاكرة خلوية ، يشكل المفتاح الأساس لـ" تطبيقات جينية "- دوائر جينية اصطناعية قائمة بذاتها وقابلة للبرمجة للتحكم في وظيفة الخلية."

تعد التطبيقات الجينية (ربما التطبيقات الأكثر ملاءمة اليوم) أحد الأهداف المحددة للبيولوجيا التركيبية. بعد حوالي 40 عامًا من بدء العلماء في تعلم إعادة ترتيب الحمض النووي ، لا تزال الهندسة الوراثية تمثل صناعة منزلية. في حرفة تستغرق وقتًا طويلاً ، وتقريباً حرفية ، يقوم الباحثون بتعديل الكائنات الحية مخصصة لتناسب احتياجاتهم الخاصة. ولدت البيولوجيا التركيبية من الرغبة في تحكم أكبر وأكثر تنوعًا ، كما يقول سيلفر ، الذي شارك في الاجتماعات المبكرة لمجموعة عمل البيولوجيا التركيبية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. "السؤال الذي يشكل جوهر البيولوجيا التركيبية هو ،" لماذا لا يكون علم الأحياء أسهل وأكثر قابلية للتنبؤ بهندسة؟ "

في الواقع ، بالنسبة لعلماء الأحياء الاصطناعية ، لا يكفي أن تكون لديهم مفاتيح جينية وآلات بيولوجية مبنية بشق الأنفس. يقول جيفري واي ، كبير العلماء في معهد ويس والمتزوج من سيلفر: "في الوقت الحالي ، يقضي الناس - وخاصة طلاب الدراسات العليا - وقتًا طويلاً للغاية في صنع الحمض النووي ومعرفة كيفية تجميع الحمض النووي معًا". "إنها تستغرق وقتًا طويلاً للغاية."

في وقت مبكر ، كما يقول ، أخذت البيولوجيا التركيبية إشاراتها من صناعة الكمبيوتر ، حيث سمحت المعايير الشائعة المبكرة لرقائق الكمبيوتر بدمج دوائر متعددة. أحد الطموحات الرئيسية لهذا المجال هو النمطية - القدرة على خلط الأجزاء الجينية ومطابقتها. في مقال بلغة Scientific American في عام 2006 ، حدد تشيرش وكولينز والعديد من الباحثين الآخرين مبادئ لما أطلقوا عليه "bio fab" ، وهي مجموعة من المعايير والأساليب لتسهيل بناء الدوائر الجينية وإعادة توحيدها. يقول واي ، الذي عمل في معهد العلوم الجزيئية ، وهو مختبر أبحاث مستقل في كاليفورنيا ، حيث كان الكثير من تم وضع مبادئ البيولوجيا التركيبية في البداية. "لا يقلق مبرمج الكمبيوتر أبدًا بشأن كيفية عمل شريحة الكمبيوتر - فهم لا يحتاجون في الواقع إلى معرفة كيفية تنفيذ الأوامر بواسطة الجهاز."

ومع ذلك ، يعترف الباحثون بأن التقدم نحو مثل هذا التجريد كان مختلطًا. "ما الذي تحتاج إلى معرفته لاستخدام جزء؟" يسأل Silver ، وهو عضو مجلس إدارة مؤسسة BioBricks غير الربحية ، والتي تروج لرؤية bio fab. "ما الذي يشكل التوصيف؟" يذهب الطريق إلى أبعد من ذلك ، ويتساءل عن القياس بين الدوائر والكائنات الحية. يقول: "في علم الأحياء ، يتمثل الاختلاف الرئيسي في أن ما يعادل رقائق الكمبيوتر - أجزاء من الحمض النووي ، والبروتينات ، وما إلى ذلك - كلها مصنوعة من الطبيعة وليس عن طريق التصميم البشري". "قد تبدو معيارية ، ولكن السؤال مفتوح حول ما إذا كانت هذه هي الطريقة التي تعمل بها البيولوجيا ، أو ما إذا كانت هذه هي إحدى نتائج الفهم البشري."

في الوقت الحالي ، كما يقول واي ، لا يزال يتعين على علماء الأحياء الاصطناعية الالتزام بإحكام بخطوط الطبيعة ، ودراسة النظم البيولوجية عن كثب لتحديد الخصائص الخاصة والاستفادة منها. على سبيل المثال ، في مشروع نُشر هذا الربيع ، تعاون هو وسيلفر مع كولينز لهندسة "مراسلين" البكتيريا. بمجرد إطعام الفئران ، تستقر البكتيريا في القناة الهضمية ، حيث تكتشف وجود جزيء شبيه بالمضادات الحيوية anhydrotetracycline ويسجله عن طريق قلب مفتاح جيني. استفاد كل من Silver and Way ، المدربين كعلماء أحياء جزيئية ، من مفتاح طبيعي مدروس جيدًا من عاثيات لامبدا (فيروس يصيب البكتيريا) له خاصيتان مناسبتان. إنه مستقر بشكل غير عادي ، ويحافظ على حالته من خلال أجيال بكتيرية متعددة ، ويفرض عبئًا ضئيلًا على المضيف البكتيري ، مما يساعده على البقاء في أمعاء الفأر. كان كل من سيلفر وواي حاضرين في جامعة هارفارد في الثمانينيات عندما تم إنجاز العمل الرئيسي على العاثية لامدا ، مما منحهما إلمامًا عميقًا بالتحول الجيني للفيروس. "تصميم عقلاني يكون مجدي حقًا - شريطة أن تعرف ما يكفي عن النظام ، كما يقول واي. "إن معرفة كل الأشياء الغريبة عن بيولوجيا الكائن الحي أمر بالغ الأهمية في جعل كل شيء يعمل."

البيولوجيا التركيبية تعيد تشكيل الطبيعة

في بعض الأحيان يصعب فهم الحياة. كان هذا هو الاستنتاج الذي توصل إليه الأستاذ الحالي في جامعة ستانفورد ، درو إندي ، الذي كان وقتها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بعد عدة سنوات قضاها في محاولة تصميم نموذج حسابي للعاثة T7. يعد الفيروس واحدًا من أبسط الأنظمة البيولوجية وأكثرها دراسة جيدًا ، وبعد 60 عامًا من البحث ، يعتقد Endy ، يجب أن يكون لدى العلماء T7 وصولاً إلى T. سيؤثر على التطور الفيروسي ، ببساطة لا يتطابق مع النتائج التجريبية.

في مواجهة التعقيد البيولوجي ، قرر Endy التخلص منه. في عام 2005 ، نشر هو وزملاؤه تقريرًا عن فيروس أطلقوا عليه اسم "T7.1" ، وهو نسخة من T7 قاموا بتصميمه ليكون سهل الفهم والتلاعب. قد يكون التطور مسؤولاً عن تنوع الوظائف البيولوجية ، ولكن بالنسبة للعالم البشري ، قد تبدو هذه الوظائف بيزنطية ومن المستحيل فهمها ، ناهيك عن الهندسة. T7 ، على سبيل المثال ، لديه جينات متعددة متداخلة ، مما يعني أن الطفرات في جين واحد يمكن أن تؤثر على الآخرين بطرق غير متوقعة. قام فريق Endy ببناء "T7.1" عن طريق فصل جينات الفيروس إلى أجزاء منفصلة - كل هذا أفضل للتصميم العقلاني. نجا “T7.1” من إعادة ترتيب الجينوم الهائل ، وإن كان ذلك بالكاد. بالمقارنة مع T7 ، تم تقليل لياقته بشكل كبير.

تقول صوفيا روست ، الأستاذة المساعدة في تاريخ العلوم: "يعتبر" T7.1 "مثالًا رائعًا لما يجعل البيولوجيا التركيبية مختلفة عن تخصصات ما بعد الجينوم الأخرى في علوم الحياة. كطالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أجرى Roosth دراسة إثنوغرافية للبيولوجيا التركيبية ، وقام بعمل ميداني مكثف في مختبر Endy. في كتابها القادم ، اصطناعي: كيف صنعت الحياة، تستخدم مشاريع مثل "T7.1" كعدسات لفحص مفاهيم الطبيعة والتصميم التي تحفز عمل علماء الأحياء الاصطناعية. "بدلاً من محاولة إعادة بناء النموذج ، أراد فريق Endy إعادة بناء العاثية لتكون أكثر قابلية للفهم. هذا أحد أعراض الانتقال إلى التصنيع في علوم الحياة - تصبح القابلية للفهم مبدأ تصميمًا ، ويصبح الصنع شكلاً من أشكال البحث. لا يتم تعزيز المعرفة حول كيفية عمل الحياة من خلال التجارب على الحياة ، ولكن من خلال صنع أشكال جديدة منها ".

في الواقع ، إن مهمة البيولوجيا التركيبية المتمثلة في جعل علم الأحياء أسهل في الهندسة ، استلزم ذلك في بعض الأحيان على نطاق واسع إعادة صنع. يمكن أن تؤدي السلوكيات الخلوية غير المتوقعة إلى تعقيد أفضل الخطط الموضوعة. على سبيل المثال ، اتبع التصميم الأساسي لمفتاح التبديل نموذجًا حسابيًا طوره مختبر كولينز قبل بدء التجارب ، ولكنه مع ذلك استغرق عدة أشهر من التجربة والخطأ لضبط المفتاح بحيث لا يتغلب أحد الجينات على الآخر. لا يزال بناء دائرة بيولوجية مسعى غير مؤكد أكثر من بناء نظيره الإلكتروني. يقول كولينز: "البيئة داخل الخلايا صاخبة جدًا". "هناك الكثير من التقلبات التي تجعل من الصعب امتلاك دوائر جينية تعمل بشكل موثوق. ولأن الخلايا كثيفة ومعقدة للغاية مع تشغيل الآلات المضيفة ، فإن الدوائر التي نبنيها تتفاعل مع المضيف بطرق لا نفهمها تمامًا ".

يهدف أحد فروع البيولوجيا التركيبية إلى تقليل عدم القدرة على التنبؤ عن طريق إنشاء كائنات "هيكلية" صغيرة ، مصممة لتكون بمثابة خلفيات محايدة ومميزة جيدًا يمكن بناء الدوائر الجينية عليها. على سبيل المثال ، قام معهد J. Craig Venter Institute (JCVI) ، الذي أسسه وقوده رائد تسلسل الجينوم المسمى باسمه ، بإزالة جين واحد في كل مرة من المفطورة التناسلية، البكتيريا التي تحتوي على أصغر جينوم خلوي معروف ، من أجل تحديد أصغر مجموعة من الجينات اللازمة للقيام بالوظائف الأساسية ذاتية الاستدامة في عملية التمثيل الغذائي للخلية وتكرارها. من بين 482 جينًا مكودًا للبروتين في الكائن الحي (لدى البشر ما يقدر بـ 20 ألفًا) ، قدر فريق فينتر أن 265 إلى 350 جينة ضرورية للبقاء على قيد الحياة. إنهم يخططون لتصنيع جينوم متغير يتكون من هذه المجموعة الصغيرة وزرعها فيها الميكوبلازما الخلايا التي أزيلت جينوماتها ، مكونة كائنًا يسمونه "Mycoplasma labatorium.

يركز باحثون آخرون على بناء كروموسومات الهيكل.يقول سيلفر: "تخيل لو كان لديك قطعة من الحمض النووي ، وكنت تعرف كل شيء عنها - لم تكن هناك ألغاز". يعمل مختبرها مع معهد فينتر لتصميم كروموسوم اصطناعي للثدييات ، تكون فيه العمليات المعقدة لتنظيم جينات الثدييات أكثر تميزًا وفهمًا. في وقت سابق من هذا العام ، أعلن باحثون من جامعة نيويورك وجونز هوبكنز عن إنشاء كروموسوم خميرة اصطناعي ، مع تعديل واحد من كل ستة أزواج أساسية من السقالة الجينية لتسهيل إدخال الجينات وإزالتها. الكروموسوم الاصطناعي هو الخطوة الأولى في بناء الخميرة الاصطناعية ، والتي أعيد تصميم جينومها بالكامل بالمثل.

إن إعادة تشكيل الجينوم الهائلة هذه تفسح المجال لإمكانيات أكثر جذرية. يعمل مختبر تشيرش ، على سبيل المثال ، على تغيير الشفرة الجينية. تمتلك جميع الكائنات الحية آلات خلوية تفسر تعليمات الحمض النووي ، وترسم خرائط لتسلسلات من ثلاثة نيوكليوتيدات تسمى الكودونات في الأحماض الأمينية التي تشكل البروتينات. في عام 2011 ، ذكرت مجموعة تشيرش أنها أعادت هندسة بكتريا قولونية الجينوم ، مع استبدال كل مثيل من الكودون "TAG" بـ "TAA" (انظر "Life: The Edited Version ،" نوفمبر - ديسمبر 2011 ، الصفحة 14). كلاهما عبارة عن أكواد توقف ، مما يشير إلى اكتمال سلسلة من التعليمات الجينية ، ولكن يتم تفسير كل كودون باستخدام آلات خلوية مختلفة. مع اختفاء كودون "TAG" الآن ، حذف الباحثون الآلية التي تعاملت مع ترجمته. في حالة عدم وجوده ، إذا قام الفيروس بغزو الكائن المهندَس - الذي يُطلق عليه اسم "rE". coli "—يمكن تجاهل الكودونات الفيروسية" TAG "، مما يؤدي إلى القضاء على محاولة العدوى. باستخدام تقنيات مثل تلك التي بنيت "rE. coli ، "يقول تشيرش ، قد يكون من الممكن يومًا ما هندسة البشر ليكونوا خاليين من الفيروسات بالمثل.

كتب تشيرش في مقدمة كتاب العلوم الشعبية الذي شارك في تأليفه: التجديد: كيف ستعيد البيولوجيا التركيبية اختراع الطبيعة وأنفسنا. "يمكننا أيضًا تحويل المواد غير العضوية إلى مادة عضوية. يمكننا أيضًا قراءة الجينومات وتفسيرها - وكذلك تعديلها. ويمكننا أيضًا إنشاء تنوع جيني ، إضافة إلى المبلغ الكبير الذي أنتجته الطبيعة بالفعل ".

الحياة في مقود

المشاريع من هذا النطاق تعطي الكثير من المراقبين وقفة. فسيفساء من اللوحات الجدارية الدينية ، أعيد ترتيبها وأعيد تجميعها ، تزين غطاء الكنيسة التجديد، ووضع اللغة والصور التي هيمنت بشكل متكرر على الخطاب العام حول هذا المجال في المقدمة. تصف روست في كتابها كيف أن مفاهيم "التصميم" التي تم استيرادها إلى علم الأحياء التركيبي من الهندسة ، تحتفظ أحيانًا بأصداء دينية ، خاصة فيما يتعلق بمصطلحات مثل "الخلق". في عام 2008 ، راديولاب أدار قسمًا عن البيولوجيا التركيبية بعنوان "التصميم الذكي؟"

جاء أحد أكثر الأعمال المقلقة للتجديد البيولوجي على نطاق واسع في عام 2002 ، عندما كان الباحثون قادرين على إنتاج فيروس شلل الأطفال الحي المعدي عن طريق تخليق جينومه. في عام 2005 ، استخدم الباحثون في مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها طرقًا مماثلة لإعادة بناء الفيروس المسؤول عن وباء الإنفلونزا الإسبانية عام 1918. في عام 2006 ، باستخدام العناوين والهويات الخاصة ، مراسلين من الحارس كانوا قادرين على طلب جزء صغير من جينوم الجدري بالبريد ، على الرغم من الحاجة إلى معدات وخبرات إضافية لتجميع الجينوم بأكمله وإحياء الفيروس.

في الواقع ، أقصى الحدود المنطقية لتسهيل هندسة علم الأحياء هو أن أي شخص يمكنه فعل ذلك. في مقال صدر عام 2007 بعنوان "مستقبل التكنولوجيا الحيوية لدينا" نُشر في جريدة استعراض نيويورك للكتب، قام الفيزيائي فريمان دايسون بعمل تشابه مع صناعة الحوسبة ، وتوقع عالمًا كانت فيه الهندسة الوراثية لعبًا للأطفال. كتب: "ستكون الخطوة الأخيرة في تدجين التكنولوجيا الحيوية هي ألعاب التكنولوجيا الحيوية" ، "مصممة مثل ألعاب الكمبيوتر للأطفال حتى سن الروضة ولكنها تلعب بالبيض والبذور الحقيقية بدلاً من الصور على الشاشة".

يقول دكتوراه كينيث أ. 83 ، أستاذ العلوم السياسية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. "النمطية وتغيير الغرض من المحتمل أن تقلل الحواجز التي تحول دون الانتشار ، وإمكانية وجود المزيد من الكائنات الاصطناعية تجعل النهج التنظيمية القديمة التي تستند إلى قوائم موحدة للكائنات البرية الخطرة من النوع."

تعمل Oye مع علماء الأحياء الاصطناعية لدراسة مسائل السلامة والأمن التي أثارتها التقنيات الجديدة كجزء من مركز أبحاث هندسة البيولوجيا التركيبية ، أو Synberc ، بتمويل من مؤسسة العلوم الوطنية (NSF). يقول: "أعتقد أن المهندسين والعلماء يجب أن يتحملوا المسؤولية عن معالجة أو التعامل مع المخاطر المرتبطة بما يقومون بإنشائه". "بالمسؤولية ، ما أعنيه هو الاهتمام النشط بتحديد وإجراء البحوث لتحديد المشكلات المحتملة ، وليس مجرد الاستجابة أو الرد على المشكلات التي يثيرها الآخرون."

وقد دفعت الشواغل المزدوجة المتعلقة بالسلامة والأمن ، والتي ركزت الأخيرة على منع الاستخدام الخبيث ، علماء الأحياء الاصطناعية وصانعي السياسات على حد سواء إلى دراسة الفرص والتحديات في المجال الجديد عن كثب. يقول تشرش: "أعتقد أن شيئًا ما ينساه كل من العلماء والجمهور العادي هو مقدار هندسة السلامة التي تدخل في مجال ناضج". "تنظر إلى سيارة ، ولا يتطلب الأمر الكثير من التفكير لتتذكر أن لديها أحزمة أمان ، وأكياس هوائية ، ورفارف قابلة للكسر. هناك أيضًا أشياء أخرى لا تراها كثيرًا ، مثل الترخيص وفخاخ السرعة وأجهزة قياس التنفس. من الصعب القيام بذلك في مجال جديد لأنك لا تفعل ذلك حتى أعرف ما لا تعرفه ، وهذا يخيف الناس ".

يعمل مختبر تشرش بنشاط على بناء واختبار المعادلات البيولوجية لأحزمة المقاعد ، والتي قد يتم تصميمها في كائنات الهيكل في المستقبل. يقول: "نحن نبني كائنات معدلة وراثيًا لا يمكنها الهروب ولا يمكنها التأثير على النظام البيئي لأنها معزولة وراثيًا وأيضًا". "إنهم مرتبطون برباط قصير جدًا." يجادل أنه مع وجود شفرة جينية معدلة ، لا يمكن للكائن الحي الاصطناعي إعطاء أو استقبال الحمض النووي ، لأنه سيعالج التعليمات الجينية بشكل مختلف عن أقاربه البرية. مختبره المعاد ترميزه وراثيًا "rE. coli ”غير قادرة بالفعل على العيش لأكثر من بضع دقائق بدون مركب غير مكلف يتوفر فقط في المختبر ، كما يقول تشيرش. علاوة على ذلك ، "نحن نبني المزيد من الكائنات الحية المعاد ترميزها جذريًا والتي لا يمكنها حرفياً استخدام الحمض النووي الطبيعي من بيئتها ، حيث يجب معالجتها بواسطة الآلات الخلوية التي تفتقر إليها هذه الكائنات." ابتكر مختبر كولينز حلاً آخر ، حيث طور "مفتاح القتل" الجيني الذي يستجيب لمواد كيميائية معينة عن طريق إنتاج بروتينات سامة تقتل الخلية.

هناك ضمانات أخرى للبيولوجيا التركيبية قيد الإنشاء ، والعديد منها ، بالمثل ، مفروض ذاتيًا. بعد، بعدما الحارس كشفت عن سهولة طلب الحمض النووي لمسببات الأمراض ، وأنشأت شركات تصنيع الحمض النووي طواعية اتحادات تعاونية لفحص الطلبات مقابل قواعد البيانات الخاصة بمسببات الأمراض والسموم المعروفة ولإبلاغ السلوك المشبوه. يُطلب من جميع المنافسين في مسابقة iGEM للهندسة الحيوية تقديم مشاريعهم للمراجعة من قبل لجنة السلامة ، والتي تعمل مع فرق لتعديل المشاريع التي تثير القلق ، وقد رعت العديد من الوكالات الفيدرالية أيضًا برامج تعليمية لتوعية المنافسين بقضايا الأمن البيولوجي.

في الواقع ، كما يقول أوي ، فإن البيولوجيا التركيبية في طريقها إلى تطوير ما يسميه "ثقافة المسؤولية". إنه يهدف إلى زيادة التدابير التنظيمية التقليدية بدلاً من استبدالها ، كما يقول ، ويمكن أن يؤثر على كل من طبيعة التنظيم وكيفية تفكير الباحثين في المشاريع التي يتابعونها. على سبيل المثال ، عندما قاد سيلفر وواي فريقًا صمم البكتيريا الزرقاء لإنتاج السكريات بكفاءة أكبر عبر عملية التمثيل الضوئي ، أجرى فريقهم ومجموعة أوي تمرينًا مشتركًا لتقييم المخاطر. اجتمع علماء البيئة وعلماء الأحياء الدقيقة والمنظمون من وكالة حماية البيئة لمناقشة الآثار البيئية لإطلاق الكائنات الحية المهندسة ، مع الانتباه إلى التنافس مع البكتيريا البرية ، على سبيل المثال ، بالإضافة إلى إمكانية نقل الجينات وتطورها.

يقول أوي: "بثقافة المسؤولية ، ما أعنيه هو غرس مجموعة من القيم والأعراف". "على المدى الطويل ، يحدث فرق كبير. إنه يحدث فرقًا في أنواع المشاريع التي يقرر الأشخاص القيام بها. إنه يحدث فرقًا من حيث استعدادهم للعمل مع الآخرين لتثبيط النشاط السيئ والاعتماد بشدة على جانب الانفتاح والسلوك المسؤول ".

تخيل المستقبل

ظهرت أسئلة المسؤولية العلمية بشكل بارز في السبعينيات ، عندما ظهرت مخاوف مماثلة عندما بدأ العلماء في تعلم كيفية التلاعب بجينات الكائنات الحية. في عام 1974 ، قام الباحثون العاملون في مجال الهندسة الوراثية بوقف طوعي لتقييم آثار عملهم ، وهو وقف انتهى بعقد مؤتمر أسيلومار التاريخي 1975 حول الحمض النووي المؤتلف. هناك ، ناقشت مجموعة من علماء الأحياء الجزيئية البارزين الضمانات للحقل الجديد ، وتحديد طرق البحث التي لا ينبغي متابعتها والاستقرار على استراتيجية احتواء مفروضة ذاتيًا لتقليل خطر هروب الكائنات الحية المهندسة من المختبر.

كانت هناك دعوات في وقت متأخر من أجل Asilomar ثانٍ لمعالجة الاحتمالات الجديدة للبيولوجيا التركيبية ، ولكن بالنسبة لبعض المراقبين ، فإن المؤتمر الذي يتم استدعاؤه بشكل متكرر لا يفي بالاحتياجات الحالية. في مقال في المجموعة القادمة مناظر أحلام الحداثة: تصورات اجتماعية وتقنية وتصنيع القوة، الذي يبحث في كيفية تصور الدول بشكل مختلف لأدوار العلم والتكنولوجيا ، الأستاذ المساعد بجامعة ولاية أريزونا جيه بنجامين هيرلبوت ، دكتوراه. "10 ، يدرس تأثير ما يسميه" Asilomar-in-Memory "، ويوثق كيف أن المؤتمر - المثير للجدل في وقته - أصبح يُنظر إليه على أنه نموذج للمسؤولية العلمية وضبط النفس. "يُذكر Asilomar كنجاح لأنه ، في وقت لاحق ، تم الحفاظ على أشكال مهمة من الاستقلالية العلمية ، وظهرت منها البيولوجيا الجزيئية القوية والتكنولوجيا الحيوية ، مع بعض النتائج الاجتماعية والاقتصادية الجيدة ،" كما يقول. "ولكن كانت هناك أيضًا عواقب اجتماعية وسياسية كنا نلحق بها ، لأن هذه الأسئلة تم وضعها جانبًا عن قصد في ذلك الوقت."

كان المشاركون في Asilomar تقريبًا من علماء الأحياء الجزيئية ، ونتيجة لذلك ، تم تضييق نطاق النقاش في المؤتمر إلى حد كبير ، كما تقول شيلا جاسانوف ، أستاذة العلوم والتكنولوجيا بفورتسهايمر - مستشارة Hurlbut ومحرر مناظر الأحلام من الحداثة—في كتابها لعام 2005 تصاميم على الطبيعة: العلم والديمقراطية في أوروبا والولايات المتحدة. وتقول إن Asilomar وضع بين قوسين أسئلة الأخلاق والإرهاب البيولوجي. فيما يتعلق بالمسائل القانونية ، ركز المشاركون في المؤتمر بشكل أساسي على تنظيم المنتجات وتقييم المخاطر ، وتركوا جانباً المزيد من الأسئلة العامة حول العمليات التي تم من خلالها إنشاء الكائنات الحية.

الأكثر إشكالية ، كما يجادل Hurlbut ، أن Asilomar افترض وعزز العقلية القائلة بأن العلماء ، بحكم معرفتهم المتخصصة ، كانوا في وضع أفضل لتحديد القضايا الناشئة عن الهندسة الوراثية التي تستحق الاهتمام - وهي العقلية التي لا تزال قائمة اليوم. يقول: "على المحك كيف نطرح أسئلة حول ما يجب القيام به". "ما أنواع المستقبل التكنولوجي الذي نريده؟ ما هو نوع العالم الذي نريد أن نعيش فيه ، وكيف يمكن للمشاريع في العلوم والتكنولوجيا أن تساهم به وينبغي أن تساهم به؟ هذه مشكلة صعبة للغاية ، لكنها ليست مشكلة من يعرف الأفضل على الإطلاق علمي بمعنى من لديه أفضل المعرفة. إنها مسألة من يعرف أفضل في أ ديمقراطية بمعنى كيف نطرح أسئلة جماعية حول ما هو جيد بالنسبة لنا ".

يحذر جاسانوف من أنه ، مقارنةً بالمبادرات البحثية السابقة الممولة اتحاديًا مثل مشروع الجينوم البشري والمبادرة الوطنية لتقنية النانو ، فإن Synberc لديها عدد أقل بكثير من طرق التمويل المتاحة للباحثين غير المنتسبين لدراسة الآثار القانونية والاجتماعية والأخلاقية للبيولوجيا التركيبية. يتم اختيار المحققين الرئيسيين في الكونسورتيوم (13 حاليًا ، بما في ذلك Silver and Church) من شركاء الجامعة الخمسة للبرنامج - جامعات كاليفورنيا في بيركلي وسان فرانسيسكو ، بالإضافة إلى ستانفورد وهارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا - وهم يرشحون ويصوتون يوافق باحثون آخرون منتسبون Oye هو الباحث الأساسي الوحيد الذي ليس مهندسًا.

يقول جاسانوف: "في هذا البلد ، يبدو أننا ننظم إشرافنا ليصبح أكثر فأكثر ، مدمجًا في العلوم والتقنيات التي نحاول الإشراف عليها". "إلى حد ما ، فإن النموذج القديم للتنظيم الذاتي المنبثق من عصر أسيلومار في البيولوجيا الجزيئية يتم إعادة فرضه ، مع وجود مساحة أقل للرقابة العامة." في ندوة عام 2009 في واشنطن العاصمة بعنوان "الفرص والتحديات في المجال الناشئ للبيولوجيا التركيبية" ، طرحت عدة أسئلة تأطير للمجال النامي. "كيف نخصص معنى للابتكار؟ وتساءلت من المسؤول عن كل من العواقب الجيدة والسيئة. "من يمكنه تخيل المستقبل؟"

جاءت إحدى الإجابات المحددة من الناشطة فاندانا شيفا ، كما ورد في إعلان "مبادئ الإشراف على البيولوجيا التركيبية" ، الصادر عن مجموعة أصدقاء الأرض البيئية. كتبت: "البيولوجيا التركيبية ، الموجة التالية من الهندسة الوراثية ، تسمح لشركات البذور والمبيدات الحشرية والزيوت بإعادة تصميم الحياة حتى تتمكن من جني المزيد من المال منها." في الواقع ، من ناحية الملكية ، تدل البيولوجيا التركيبية على انقسامات عميقة. تتماشى بعض فروع البيولوجيا التركيبية بشكل وثيق مع مُثُل مفتوحة المصدر. مهمة مؤسسة BioBricks جعل أجزائها البيولوجية متاحة مجانًا ، وتستضيف OpenWetWare ، الإصدار الميداني من ويكيبيديا ، الكامل مع البروتوكولات التجريبية ودفاتر المختبر ، وأحيانًا بتفاصيل شاملة. على النقيض من ذلك ، قدم معهد فينتر طلبًا للحصول على براءة اختراع بشأن الحد الأدنى من جينوم "Mycoplasma labatorium" ، مما دفع بطعون قانونية رداً على ذلك.

تأتي الإجابة الثانية من بعض أكثر مناصري هذا المجال احتمالاً. إن مجتمع Do-It-Yourself Biology (DIYbio) أو مجتمع "biohacker" ، في تطور على استعارة صناعة الكمبيوتر المفضلة في هذا المجال ، يصمم نفسه على غرار الثقافة الفرعية للهاكر في البرمجة ، بهدف تحويل الهندسة الوراثية إلى نشاط يمكن للهواة القيام به في منازلهم أو كراجاتهم. في قائمة بريد إلكتروني مفتوحة مع سطور موضوعية مثل "نظام رحلان هلامي رخيص؟" و "بحاجة إلى ورقة من فضلك" ، يتبادل ممارسوها نصائح وحيل الهندسة الوراثية. تعقد فضاءات الهاكرز المجتمعية ورش عمل لتعليم تقنيات المختبر الأساسية. في حين أن بعض القراصنة البيولوجيين جدد في المختبر ، فإن العديد منهم حصلوا على تدريب كبير وحتى درجات علمية متقدمة في علم الأحياء. "من نواحٍ عديدة ، أعتقد أن DIYbio تدور حول المكان الذي تجري فيه الأبحاث ، وليس من أنت" ، كما يقول روست ، الذي راقب بدايات الحركة في كامبريدج لعام 2008. "من خلال إجراء البحوث البيولوجية في المنزل ، ينتقد القراصنة البيولوجيون الطريقة التي تم بها استخدام التكنولوجيا الحيوية في الثلاثين عامًا الماضية - التحرك نحو العلوم الكبيرة ، نحو تسجيل براءات الاختراع للأجزاء البيولوجية."

في الواقع ، في مقال بعنوان "بيان بيوبانك" ، جادلت بيو هاكر ميريديث باترسون بضرورة علم المواطن (انظر "العلوم الشعبية" ، يناير-فبراير 2014 ، الصفحة 54). وكتبت: "تستنكر Biopunks القيود المفروضة على البحث المستقل ، لأن الحق في الوصول بشكل مستقل إلى فهم العالم من حولك هو حق أساسي من حقوق الإنسان". "تعال ، دعونا نبحث معًا."

اختبار رورشاخ في البيولوجيا التركيبية

منذ بدايات البيولوجيا التركيبية ، لم يخجل ممارسوها أبدًا من مشاركة أهدافهم النبيلة. قد يعني تسخير البيولوجيا أنواعًا جديدة من الوقود والبلاستيك والمواد الغذائية وجزيئات دوائية أكثر تنوعًا ولقاحات مطورة بسرعة أكبر. تعني الأساليب الأكثر دقة لتحرير الجينوم أن العلاج الجيني ، بعد الانتكاسات المبكرة ، يتطور بسرعة كخيار لعلاج المرض. قد يصبح من الممكن قبل فترة طويلة إعادة هندسة الأنواع التي انقرضت. يقول سيلفر: "جعلت البيولوجيا التركيبية الناس يشعرون وكأنهم يستطيعون الحلم بالأشياء والمجازفة". تستشهد بأحد شعارات هذا المجال: "علم الأحياء الهندسي من أجل خير العالم".

ليس من المستغرب إذن أن يكون للبيولوجيا التركيبية مثل هذا التأثير الهائل على الخيال العام. رعت مؤسسة العلوم الوطنية مبادرة تسمى "الجماليات الاصطناعية" التي تجمع بين علماء الأبحاث والمصممين ، وقد نُشرت منتجاتها الأولية هذا الربيع في كتاب طاولة قهوة يحمل نفس الاسم. اجتذب أول مهرجان لأفلام البيولوجيا التركيبية ، في عام 2011 ، 130 مشاركة ، وسيعقد مهرجان ثان في فيينا في أكتوبر. هذا العام ، اجتذب iGEM 245 فريقًا جامعيًا و 54 فريقًا من المدارس الثانوية ، وقد شارك ما يقدر بـ 15000 طالب ومدرب ومستشار في المسابقة منذ بدايتها كدورة شهر يناير في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 2003. في العام الماضي ، في حملة ممولة من الجمهور ، جمع مختبر المجتمع في سان فرانسيسكو المسمى BioCurious ما يقرب من نصف مليون دولار لبناء نباتات تتوهج البذور ومن المقرر أن تصل إلى السوق هذا الخريف.

دفعت هذه الحماسة بعض النقاد إلى رفض هذا المجال باعتباره ليس أكثر من مجرد دعاية. "على غرار المجالات الحديثة والعصرية الأخرى ، تم تعريف البيولوجيا التركيبية بشكل فضفاض للغاية بحيث يمكن أن تبدو مثل كل الأشياء لجميع الأشخاص" ، هذا ما أشار إليه عام 2009 في أخبار الطبيعة. وكما قالت كريستالا براثر ، الأستاذة المساعدة في الهندسة الكيميائية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ساخرة في المقالة ، "إذا طلبت من خمسة أشخاص تعريف البيولوجيا التركيبية ، فستحصل على ستة إجابات."

ربما تكون البيولوجيا التركيبية في جوهرها فضاءً يعرض عليه العلماء وغير العلماء على حدٍ سواء تصوراتهم الخاصة. بالنسبة لعلماء الأحياء ، فهذا يعني إعادة التفكير في الاستعارات. إذا كانت الخلية عبارة عن كمبيوتر والجينات عبارة عن دوائر ، فماذا ستكون طبيعة الحيوان الجديد؟ في مكان آخر من الوعي العام ، وجدت البيولوجيا التركيبية نفسها في قلب العديد من النقاشات الاجتماعية حول الدور المناسب للعلم والتكنولوجيا ، حيث تسلط الضوء وتقوض في كثير من الأحيان الطريقة الراسخة التي تم بها علم الأحياء ، وتطالب بإجابة على سؤال ما هو التالي.

مهما كانت النية الأصلية لعلماء الأحياء الاصطناعية ، فقد أصبح المجال اختبارًا علميًا لـ Rorschach ، ويتألف من أجزاء متساوية من الحداثة العلمية ومجموع الآمال والقلق الجماعي للمجتمع. كما يقول هيرلبوت ، "البيولوجيا التركيبية ليست مجالًا أو مجموعة من التقنيات ، بقدر ما هي مجموعة من الأشخاص ذوي الرؤية".

ربما يكون من المناسب أن تكون البيولوجيا التركيبية قد اكتسبت حياة خاصة بها.

تحديث 29 أغسطس 2014: تمت إزالة إشارة غير صحيحة إلى الفيزيائي فريمان دايسون باعتباره حائزًا على جائزة نوبل. نحن نأسف للخطأ.


وضع علامات T7 في علم الأحياء التركيبي - علم الأحياء

إن عدم قدرتنا على التنبؤ بسلوك الأنظمة البيولوجية يعيق بشدة التقدم في الهندسة الحيوية والتطبيقات الطبية الحيوية.لا يمكننا التنبؤ بتأثير تغييرات النمط الجيني على النمط الظاهري ، ولا يمكننا استقراء السلوك واسع النطاق من التجارب الصغيرة. وصلت تقنيات التعلم الآلي مؤخرًا إلى مستوى جديد من النضج ، وهي قادرة على توفير القوة التنبؤية المطلوبة دون فهم ميكانيكي مفصل. ومع ذلك ، فإنها تتطلب كميات كبيرة من البيانات ليتم تدريبها. لا يمكن إنتاج كمية ونوعية البيانات المطلوبة إلا من خلال مزيج من البيولوجيا التركيبية والأتمتة ، وذلك لتوليد تنوع كبير من الأنظمة البيولوجية ذات قابلية عالية للتكاثر. سيؤدي الاستثمار المستدام في تقاطع البيولوجيا التركيبية والتعلم الآلي والأتمتة إلى دفع البيولوجيا التنبؤية إلى الأمام وإنتاج خوارزميات التعلم الآلي المحسّنة.

حروف
SelProm: أداة تحديد متجه للتعبير قابلة للاستعلام والتنبؤ لـ الإشريكية القولونية
  • أدريان ج. جيرفيس ،
  • بابلو كاربونيل
  • ساندرا تايلور
  • ريحانة سونغ ،
  • مارك إس دونستان ،
  • كريستوفر جيه روبنسون ،
  • راينر بريتلينغ ،
  • إيريكو تاكانو و
  • نايجل س. سكروتون*

تعد النماذج الأولية السريعة وتحسين التعبير الجيني المؤتلف القائم على البلازميد إحدى الخطوات الرئيسية في تطوير الأنظمة البكتيرية الهندسة الحيوية. في كثير من الأحيان ، تحتاج جينات متعددة أو وحدات جينية إلى أن تكون متضافرة ، ولهذا الغرض تم تطوير أنظمة بلازميد محفزة متوافقة. ومع ذلك ، لا يتم تفضيل أنظمة التعبير المحرض في العمليات الصناعية ، بسبب تكلفتها الباهظة ، وبالتالي يكون التحويل إلى أنظمة التعبير التأسيسي مرغوبًا في كثير من الأحيان. نقدم هنا مجموعة من بلازميدات التعبير التأسيسي لهذا الغرض ، والتي تم قياسها باستخدام جينات المراسل الفلوري. لتسهيل التحويل بين أنظمة التعبير المحرض والتكويني ، قمنا بتطوير SelProm ، وهي أداة تصميم تعمل كمستودع لأجزاء من قوة التعبير البلازميد وتتوقع قواعد قابلية النقل بين البلازميدات التأسيسية والمحفزة من خلال مقارنة النماذج والتعلم الآلي. أداة SelProm متاحة مجانًا على http://selprom.synbiochem.co.uk.

مقالات
نظام اختيار نموذج حيوي آلي (BMSS) لتصميمات الدوائر الجينية
  • جينغ وي يوه ،
  • كاي بون إيفان نغ ،
  • آي ينغ تيه ،
  • جينغ يون زانغ ،
  • واي كيت ديفيد تشي ، و
  • تشويه لو بوه*

لا يزال إنشاء دائرة جينية وظيفية معقدة تتكون من أجزاء بيولوجية معيارية مختلفة لتحقيق الأداء المطلوب يمثل تحديًا دون فهم سليم لكيفية تصرف الوحدة الفردية. لمعالجة هذا الأمر ، تعمل النماذج الرياضية كأداة مهمة نحو تفسير أفضل من خلال قياس أداء الدائرة الجينية الكلية ، وتقديم الأفكار ، وتوجيه التصميمات التجريبية. نظرًا لأن الدوائر الجينية المختلفة قد تتطلب تمثيلات رياضية مختلفة حصريًا في شكل معادلات تفاضلية عادية لالتقاط سلوكياتها الديناميكية العابرة ، فإن التحدي المتكرر في تطوير النموذج هو اختيار النموذج المناسب. هنا ، قمنا بتطوير نظام آلي لاختيار النماذج الحيوية (BMSS) والذي يتضمن مكتبة من النماذج المحددة مسبقًا ذات الميزات البديهية أو غير البديهية المستمدة من مجموعة واسعة من ملفات تعريف التعبير. تم اختيار النماذج بناءً على معايير معلومات Akaike (AIC). اختبرنا النظام الأساسي الآلي باستخدام بيانات التوصيف للأنظمة المحفزة المستخدمة بشكل روتيني وأنظمة التعبير التأسيسي والعديد من أنظمة البوابة المنطقية المختلفة (بوابات NOT و AND و OR). حقق BMSS اتفاقًا جيدًا لجميع مجموعات بيانات التوصيف المختلفة وتمكن من اختيار النموذج الأنسب وفقًا لذلك. لتمكين تبادل نماذج تصميم الدوائر الجينية واستنساخها ، تقوم منصة BMSS أيضًا بإنشاء مخططات الدوائر الجينية المتوافقة مع البيولوجيا الاصطناعية (SBOL) وملفات إخراج لغة ترميز بيولوجيا الأنظمة (SBML). تمت برمجة جميع جوانب الخوارزمية بطريقة معيارية لتسهيل الجهود على ملحقات النموذج أو التخصيصات من قبل المستخدمين. مجتمعة ، فإن BMSS الذي يتم تنفيذه في Python يدعم المستخدمين في اشتقاق أفضل مرشح نموذج رياضي بطريقة سريعة وفعالة وآلية باستخدام بيانات توصيف الجزء / الدائرة.

SBOL-OWL: نهج أنطولوجي للتمثيل الرسمي والدلالي لمعلومات البيولوجيا التركيبية
  • Göksel Mısırlı* ,
  • رينيه تايلور
  • أنجيل غوني مورينو ،
  • جيمس أليستر ماكلولين ،
  • كريس مايرز
  • جون إتش جيناري ،
  • فيليب لورد و
  • أنيل ويبات

التمثيل القياسي للبيانات هو المفتاح لإعادة إنتاج التصاميم في البيولوجيا التركيبية. ظهرت بالفعل لغة البيولوجيا التركيبية المفتوحة (SBOL) كمعيار للبيانات لتمثيل المعلومات حول الدوائر الجينية ، وهي تستند إلى التقاط البيانات باستخدام الرسوم البيانية. توفر اللغة بناء الجملة باستخدام مستند نصي مجاني يمكن الوصول إليه للبشر فقط. تصف هذه الورقة SBOL-OWL ، علم الوجود لتعريف مفهوم الآلة لـ SBOL. تعمل هذه الأنطولوجيا كطبقة دلالية لتصميمات الدوائر الجينية. نتيجة لذلك ، يمكن للأدوات الحسابية فهم معنى كيانات التصميم بالإضافة إلى تحليل بيانات SBOL المنظمة. لا يصف SBOL-OWL كيفية إنشاء الدوائر الجينية حسابياً فحسب ، بل إنه يسهل أيضًا استخدام العديد من أدوات الويب الدلالية الحالية للبيولوجيا التركيبية. توضح هذه الورقة بعض هذه الميزات ، على سبيل المثال ، للتحقق من صحة التصميمات والتحقق من التناقضات. من خلال استخدام SBOL-OWL ، يمكن تبسيط الاستعلامات وتصبح أكثر سهولة. علاوة على ذلك ، يمكن استخدام المبررات الحالية لاستنتاج معلومات حول تصميمات الدوائر الجينية التي لا يمكن استرجاعها مباشرة باستخدام آليات الاستعلام الحالية. يوفر هذا التمثيل الأنطولوجي لمعيار SBOL منظورًا جديدًا للتحقق والتمثيل والاستعلام عن المعلومات حول الدوائر الجينية وهو مهم لدمج معلومات التصميم المعقدة عبر تكامل الأنطولوجيا البيولوجية.

الملاحظات الفنية
PySBOL: حزمة Python لأتمتة التصميم الجيني والتوحيد القياسي
  • بريان إيه بارتلي* ,
  • كيري تشوي ،
  • ماهر سامينيني
  • زاك زونديل
  • ترامي نجوين ،
  • كريس جيه مايرز ، و
  • هربرت م

تقدم هذه الورقة pySBOL ، وهي مكتبة برمجية للتصميم بمساعدة الكمبيوتر للأنظمة البيولوجية الاصطناعية في لغة البرمجة النصية بيثون. توفر هذه المكتبة واجهة برمجة تطبيقات (API) سهلة الاستخدام وموجهة للكائنات مع حاجز دخول منخفض لمطوري تطبيقات البيولوجيا التركيبية. تتيح مكتبة pySBOL إعادة استخدام الأجزاء الجينية والتصميمات من خلال تبادل البيانات المعياري مع مستودعات الأجزاء البيولوجية وأدوات البرامج التي تتواصل باستخدام اللغة المفتوحة للبيولوجيا التركيبية (SBOL). بالإضافة إلى ذلك ، تدعم pySBOL إدارة البيانات الخاصة بسير عمل التصميم والبناء والاختبار والتعلم للمختبرات الفردية بالإضافة إلى فرق كبيرة وموزعة من علماء الأحياء الاصطناعية. يتيح PySBOL أيضًا للمستخدمين إضافة بيانات مخصصة إلى ملفات SBOL لدعم متطلبات البيانات المحددة لأبحاثهم. تساعد القابلية للتوسعة هذه المستخدمين على دمج سلاسل أدوات البرامج وتطوير مهام سير العمل للتطبيقات الجديدة. هذه الميزات وغيرها تجعل مكتبة pySBOL أداة قيمة لدعم الممارسات الهندسية في البيولوجيا التركيبية. يمكن العثور على إرشادات التوثيق والتثبيت على pysbol2.readthedocs.io.

تحديد التصاميم التجميعية باستخدام اللغة المفتوحة للبيولوجيا التركيبية (SBOL)
  • نيكولاس روينر* ,
  • بريان بارتلي
  • جاكوب بيل
  • جيمس ماكلولين ،
  • ماثيو بوكوك
  • مايكل زانج
  • زاك زونديل و
  • كريس جيه مايرز

نظرًا لأن التحسينات في تقنية تخليق الحمض النووي وطرق التجميع تجعل التجميع الاندماجي للتركيبات الجينية متاحًا بشكل متزايد ، فإن طرق تمثيل التركيبات الجينية تحتاج أيضًا إلى التحسين للتعامل مع النمو الأسي لمساحة التصميم التوافقي. تحقيقًا لهذه الغاية ، نقدم امتدادًا مقبولًا للمجتمع لمعيار بيانات SBOL الذي يسمح بالتشفير الفعال والمرن للتصميمات التجميعية. يتضمن هذا الامتداد هياكل البيانات لتمثيل التصاميم الجينية ذات المكونات "المتغيرة" التي يمكن تنفيذها باختيار واحد من العديد من التصميمات المرتبطة للأجزاء أو التركيبات الجينية الحالية. نبرهن على القوة التمثيلية لتمديد التصميم الاندماجي SBOL من خلال دراسات الحالة حول تصميم المسار الأيضي وتصميم الدوائر الجينية ، ونبلغ عن توسيع أداة برنامج SBOLDesigner لدعم المستخدمين في إنشاء وتعديل التصاميم التجميعية في SBOL.

تحليلات التدفق TASBE: حزمة لتحليل التدفق الخلوي المعاير
  • جاكوب بيل* ,
  • كاساندرا أوفيرني
  • آرون أدلر
  • فوسون اليمن
  • ليزا تيبيريو و
  • ماهر سامينيني

يعد قياس التدفق الخلوي طريقة قوية لقياس الدقة الفائقة لإضاءة الخلية وحجمها. ومع ذلك ، فإن الاستخدام الفعال لهذه الأداة لتقدير أجهزة ودوائر البيولوجيا التركيبية يتطلب عمومًا تطبيقًا دقيقًا لتدفقات العمل المعقدة متعددة المراحل للمعايرة والتصفية والتحليل مع الإحصاءات المناسبة. توفر حزمة TASBE Flow Analytics تنفيذًا مجانيًا ومفتوحًا ويمكن الوصول إليه لمهام سير العمل هذه في نموذج مصمم لتحليل الإنتاجية العالية لمجموعات بيانات البيولوجيا التركيبية الكبيرة. بالنظر إلى مجموعة من العينات التجريبية وعناصر التحكم ، يمكن لهذه الحزمة معالجتها لإخراج البيانات المُعايرة والتحليلات والمقارنات الكمية والأرقام المُنشأة تلقائيًا وتقارير تصحيح الأخطاء والتشخيص التفصيلية في كلٍ من النماذج التي يمكن قراءتها بواسطة الإنسان وقابلة للقراءة آليًا. يمكن استخدام TASBE Flow Analytics من خلال واجهة Excel تفاعلية سهلة الاستخدام ، كمكتبة تدعم جلسات Matlab أو Octave أو Python التفاعلية ، أو كمكون مدمج في سير العمل الآلي.

مقالات
لغة برمجة منطقية لأجهزة الحمض النووي الحسابية

تُظهر أجهزة الحمض النووي الحاسوبية إمكانات كبيرة لتمكين مجموعة واسعة من تطبيقات التكنولوجيا الحيوية ، بما في ذلك المجسات الذكية لبحوث البيولوجيا الجزيئية ، والتجميع في المختبر للمركبات المعقدة ، وتشخيص الأمراض المختبرية بدقة عالية ، وفي النهاية ، العلاج بالحاسوب داخل الخلايا الحية. يتم دعم هذا التنوع في التطبيقات من خلال مجموعة من استراتيجيات التنفيذ ، بما في ذلك إزاحة حبلا الحمض النووي ، وتوطين الركائز ، واستخدام الإنزيمات مع وظيفة البوليميراز والنيكاز والنوكلياز الخارجي. ومع ذلك ، فإن أدوات التصميم الحسابي الحالية غير قادرة على حساب هذه الاستراتيجيات بطريقة موحدة. تقدم هذه الورقة لغة برمجة منطقية تسمح بتصميم وتحليل مجموعة واسعة من أنظمة الحمض النووي الحسابية. توسع اللغة البرمجة المنطقية القياسية بنظرية معادلة جديدة للتعبير عن الزخارف الجزيئية للحمض النووي. يحدد تلقائيًا الأشكال المطابقة الموجودة في النظام الكامل ، من أجل تطبيق تحويل محدد معبرًا عنه كقاعدة منطقية. تدعم اللغة تعريف المسندات المنطقية ، والتي توفر قيودًا يجب الوفاء بها من أجل تطبيق قاعدة معينة. اللغة معبرة بشكل كافٍ لترميز دلالات أنظمة إزاحة الخيوط النووية ذات الطوبولوجيا المعقدة ، جنبًا إلى جنب مع العمليات الحسابية التي يتم إجراؤها بواسطة مجموعة واسعة من الإنزيمات ، وهي قابلة للتوسيع بسهولة لاستراتيجيات التنفيذ الجديدة. يضع نهجنا الأساس لإطار عمل موحد لتصميم أجهزة الحمض النووي الحسابية.

سير عمل حسابي للجيل الآلي لنماذج التصاميم الجينية
  • جوكسيل مسيرلي ،
  • ترامي نجوين ،
  • جيمس أليستر ماكلولين ،
  • براشانت فيدياناتان ،
  • تيموثي إس جونز ،
  • دوغلاس دينسمور
  • كريس مايرز* ، و
  • أنيل ويبات*

النماذج الحسابية ضرورية لهندسة أنظمة بيولوجية يمكن التنبؤ بها ولتوسيع نطاق هذه العملية للأنظمة المعقدة. غالبًا ما تتطلب النمذجة الحاسوبية معرفة وبيانات متخصصة لبناء النماذج. من الواضح أن الإنشاء اليدوي للنماذج غير قابل للتطوير للتصاميم الكبيرة. على الرغم من العديد من مناهج إنشاء النماذج الآلية ، لم يتم بعد إنشاء منهجيات حسابية لجسر المعرفة في مستودعات التصميم وعملية إنشاء النماذج الحسابية. تصف هذه الورقة سير العمل للتوليد التلقائي للنماذج الحسابية للدوائر الجينية من البيانات المخزنة في مستودعات التصميم باستخدام المعايير الحالية. يستفيد سير العمل هذا من أداة البرمجيات SBOLDesigner لإنشاء نماذج هيكلية يتم إثرائها بعد ذلك بواسطة Virtual Parts Repository API باستخدام بيانات Systems Biology Open Language (SBOL) التي تم جلبها من مستودع تصميم SynBioHub. ثم يتم استخدام أداة برنامج iBioSim لتحويل وصف SBOL هذا إلى نموذج حسابي مشفر باستخدام لغة ترميز بيولوجيا الأنظمة (SBML). أخيرًا ، يمكن محاكاة نموذج SBML هذا باستخدام مجموعة متنوعة من الطرق. يوفر سير العمل هذا لعلماء الأحياء الاصطناعية أدوات سهلة الاستخدام لإنشاء أنظمة بيولوجية يمكن التنبؤ بها ، وإخفاء تعقيد بناء النماذج الحسابية. يمكن أيضًا دمج هذا النهج في تدفقات العمل الحسابية الأخرى لأتمتة التصميم.

الملاحظات الفنية
I B io S im 3: أداة لتصميم الدوائر الجينية المستندة إلى النموذج
  • لياندرو واتانابي* ,
  • ترامي نجوين* ,
  • مايكل تشانغ* ,
  • زاك زونديل* ,
  • تشن تشانغ* ,
  • كورتيس مادسن* ,
  • نيكولاس روينر* ، و
  • كريس مايرز*

تم تطوير أداة iBioSim لتسهيل تصميم الدوائر الجينية عبر استراتيجية تصميم قائمة على النموذج. توضح هذه الورقة الميزات الجديدة المدمجة في أداة تصميم دوائر الحمض النووي وتحليل التصميم وتوليف التصميم ، وكلها يمكن استخدامها في سير العمل لبناء منهجي لدوائر وراثية جديدة.

وجهة نظر
الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع المواد الحية الوظيفية القائمة على الأغشية الحيوية
  • سريكانث بالاسوبرامانيان ،
  • ماري إيف أوبين تام ، و
  • آن س. ماير*

الأغشية الحيوية البكتيرية عبارة عن شبكات ثلاثية الأبعاد من الخلايا المتشابكة في مصفوفة بوليمرية خارج الخلية مكونة من البروتينات والدهون والسكريات والأحماض النووية. يمكن أن تثبت الأغشية الحيوية وجودها على أي سطح يمكن الوصول إليه تقريبًا وتؤدي إلى تأثيرات مختلفة تتراوح من الأمراض المعدية إلى تحلل المواد الكيميائية السامة. تُظهر الأغشية الحيوية صلابة ميكانيكية عالية وتتحمل بطبيعتها الظروف المعاكسة بما في ذلك وجود المضادات الحيوية والملوثات والمنظفات ودرجة الحرارة المرتفعة والتغيرات في الأس الهيدروجيني وما إلى ذلك. وإنتاج المواد وتنقية مياه الصرف الصحي. لقد وصفنا مؤخرًا طريقة سهلة وفعالة من حيث التكلفة للطباعة ثلاثية الأبعاد للبكتيريا وقمنا بتوسيع هذه التقنية للطباعة ثلاثية الأبعاد للأغشية الحيوية Escherichia coli المعدلة وراثيًا. تستغل منصة الطباعة ثلاثية الأبعاد الخاصة بنا كيمياء الجينات البسيطة لطباعة خليط من البكتيريا والألجينات الحيوية على أسطح أجار تحتوي على الكالسيوم ، مما يؤدي إلى تكوين الهلاميات المائية المغلفة للبكتيريا بأشكال هندسية مختلفة. تبقى البكتيريا الموجودة في هذه الهلاميات المائية سليمة ، ومنمطة مكانيًا ، وقابلة للحياة لعدة أيام. تؤدي طباعة البكتيريا المهندسة لإنتاج أغشية حيوية محفزة إلى تكوين هياكل ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات يمكنها تحمل المعالجات الكيميائية القاسية. توفر مناهج البيولوجيا التركيبية وعلوم المواد الفرصة لإلحاق مجموعة واسعة من الوظائف المفيدة بهذه الأغشية الحيوية المطبوعة ثلاثية الأبعاد. في هذه المقالة ، نصف مجموعة واسعة من التطبيقات المستقبلية الممكنة لتطبيق الأغشية الحيوية الوظيفية المطبوعة ثلاثية الأبعاد لبناء مواد حية مشتقة من الأغشية الحيوية بطريقة واسعة النطاق ومستقرة بيئيًا.

حروف
المروج 5S rRNA لتعبير RNA دليل ممكّن للغاية من تحرير الجينوم CRISPR / Cas9 في رشاشيات النيجر
  • زياومي تشنغ ،
  • بينغ تشنغ* ,
  • كون زانغ ،
  • تيموثي سي كيرنز ،
  • فيرا ماير
  • جيبين صن* ، و
  • يانهي ما

يعد نظام CRISPR / Cas9 أداة ثورية لتحرير الجينوم. ومع ذلك ، في حقيقيات النوى ، يعد البحث عن مروج مناسب لتعبير RNA وتحسينه تحديًا تقنيًا كبيرًا. استخدمنا هنا الفطر المهم صناعيًا ، Aspergillus niger ، لإثبات أن الجين 5S rRNA ، الذي يتم الحفاظ عليه بشكل كبير ويتم التعبير عنه بكفاءة في حقيقيات النوى ، يمكن استخدامه كمروج توجيه RNA. تم إنشاء نظام تحرير الجينات بمعدلات 100٪ من التعديلات الجينية الدقيقة بين عشرات المحولات باستخدام DNA متماثل قصير (40 نقطة أساس) للمانحين. كان هذا النظام قابلاً للتطبيق أيضًا لتوليد الكروموسومات المصممة ، كما يتضح من حذف مجموعة الجينات 48 كيلو بايت اللازمة للتخليق الحيوي للسموم الفطرية fumonisin B1. علاوة على ذلك ، سهل هذا النظام أيضًا حدوث الطفرات المتزامنة للعديد من الجينات في A. niger. نتوقع أن استخدام الجين الرنا الريباسي 5S كدليل مروج RNA يمكن تطبيقه على نطاق واسع لهندسة مجموعات أدوات CRISPR / Cas9 حقيقية النواة عالية الكفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن النظام المذكور هنا سيمكن من تطوير الكروموسومات المصممة في النموذج والفطريات المهمة صناعيًا.

تنشيط CRISPR من نوع الخلية باستخدام مفتاح AcrllA4 المتجاوب مع MicroRNA

تمتلك البروتينات المضادة لـ CRISPR القدرة على تنظيم أنظمة CRISPR-Cas بطريقة خاصة بنوع الخلية. لتحرير الجينوم بشكل انتقائي في الخلايا المستهدفة ، قمنا بالتحكم في التعبير عن AcrllA4 ، وهو مثبط Streptococcus pyogenes Cas9 ، بناءً على نشاط microRNA الداخلي (miRNA). لقد قمنا بتصميم مفتاح AcrllA4 مستجيب لـ miRNA ، وهو عبارة عن mRNA اصطناعي يحتوي على تسلسل مكمل تمامًا لـ miRNA التعسفي في منطقة 5′-UTR ويشفر AcrllA4. جنبا إلى جنب مع مجمع RNA دليل Cas9- أو dCas9-VPR ، يعمل هذا المفتاح كمنشط Cas9 أو dCas9-VPR خاص بالخلية والذي يحفز خروج الجينات أو التنشيط اعتمادًا على الهدف ميرنا. من خلال استشعار miRNAs داخل الخلايا ، يمكن أن يوفر نظام CRISPR-Cas9 ON المشروط الذي أبلغنا عنه أداة قوية للتطبيقات العلاجية المستقبلية وهندسة الجينوم.

قمع CRISPR-Cas القابل للبرمجة والتنشيط والحساب باستخدام أهداف ومشغلات مستقلة عن التسلسل
  • مايك جين ،
  • نيكولاس غاريو دي لوبريس ،
  • يونجون كيم ،
  • جونغمين كيم* ، و
  • بينغ ين*

إن قابلية برمجة Cas9 المشتق من CRISPR باعتباره بروتينًا محددًا لاستهداف الحمض النووي قد جعله أداة قوية للتلاعب الجيني في الأبحاث البيولوجية والتطبيقات متعدية. يمكن تصميم نشاط Cas9 بشكل برمجي للاستجابة للأحماض النووية ، ولكن هذه الجهود ركزت بشكل أساسي على التحكم أحادي الإدخال لـ Cas9 ، وحتى وقت قريب ، كانت محدودة بالاعتماد على التسلسل بين أجزاء دليل RNA والتسلسل المراد اكتشافه. هنا ، لا نقوم فقط بتصميم وتقديم الدليل الشرطي RNA (cgRNA) لاستشعار الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) الذي لا يحتوي على قيود التسلسل هذه ، بل نعرض أيضًا مجموعة كاملة من الحسابات المنطقية باستخدام هذه التصميمات على مدخلات تسلسل الحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي ، بما في ذلك و ، أو و NAND و NOR. يمكن أن يؤدي تطوير أنظمة CRISPR-Cas9 لاستشعار الحمض النووي المستقل عن التسلسل مع إمكانات حساب منطقي متعدد المدخلات إلى تحسين هندسة الجينوم وتنظيمه وكذلك إنشاء دوائر تركيبية بوظائف أوسع.

مقالات
عكس مسار نقل الإلكترون خارج الخلية لتقليل الأسيتوين المدفوع بالقطب الكهربائي

التركيب الكهربائي الميكروبي هو تقنية ناشئة لها القدرة على تخزين الطاقة المتجددة في وقت واحد ، وإصلاح ثاني أكسيد الكربون ، وإنتاج مركبات عضوية عالية القيمة. ومع ذلك ، لا يزال الفهم المحدود لمسار الإلكترونات في الخلية يمثل عقبة أمام تطوير منصة قوية للتركيب الكهربائي الميكروبي. لمواجهة هذا التحدي ، استفدنا من مسار نقل الإلكترون خارج الخلية الأصلي في Shewanella oneidensis MR-1 لتوصيل قطب خارج الخلية بتفاعل اختزال داخل الخلايا. يستخدم النظام بروتينات Mtr الأصلية لنقل الإلكترونات من قطب كهربائي إلى تجمع كينون الغشاء الداخلي. بعد ذلك ، يتم نقل الإلكترونات من الكينونات إلى NAD + بواسطة نازعات الهيدروجين NADH الأصلية. هذا الأداء العكسي لنزعات NADH غير مواتٍ من الناحية الديناميكية الحرارية ، لذلك أضفنا مضخة بروتون مدفوعة بالضوء (بروتيورودوبسين) لتوليد قوة دافعة بروتون لدفع هذا النشاط. أخيرًا ، نستخدم اختزال الأسيتوين إلى 2،3-بيوتانيديول عبر نازعة هيدروجين البوتانيديول غير المتجانسة (Bdh) كمغسلة إلكترونية. Bdh هو إنزيم يعتمد على NADH ، لذا فإن ملاحظة اختزال الأسيتوين تدعم فرضيتنا القائلة بأن الإلكترونات الكاثودية تنتقل إلى NAD + داخل الخلايا. تشير خطوط الأدلة المتعددة إلى الأداء السليم لنظام التركيب الكهربائي الهندسي: يتأثر تدفق الإلكترون من الكاثود بتوافر الضوء والأسيتوين ، ويكون إنتاج 2،3-بيوتانيديول أعلى عند وجود كل من الضوء والقطب الكهربائي. أدى استخدام سلالة خلفية S. oneidensis التي تفتقر إلى الهيدروجين إلى وجود ارتباط أقوى بين نقل الإلكترون وإنتاج 2،3-بيوتانيديول ، مما يشير إلى أن إنتاج الهيدروجين عبارة عن حوض إلكترون بعيد عن الهدف في الخلفية البرية. يمثل هذا النظام خطوة واعدة نحو منصة التركيب الكهربائي الميكروبية المعدلة وراثيًا وسيمكن التركيز الجديد على تخليق مركبات معينة باستخدام الطاقة الكهربائية.

مبادئ التصميم للتجزئة والتنظيم المكاني للدارات الوراثية الاصطناعية

التقسيم هو السمة المميزة للأنظمة الخلوية ومكون تم استغلاله بنشاط في التطور. كما يتم تصميمه واستغلاله في البيولوجيا التركيبية بطرق متعددة. في حين أن هذه قد أظهرت قدرات تجريبية مهمة ، إلا أن فهم مبادئ التصميم التي تقوم عليها تجزئة الدوائر الجينية كان بعيد المنال. نحن نطور إطار عمل للأنظمة لتوضيح التفاعل بين طبيعة الدائرة الجينية ، والتنظيم المكاني للمقصورات ، وحالتها التشغيلية (مختلطة جيدًا أو غير ذلك). عند القيام بذلك ، نكشف عن عدد من الميزات غير المتوقعة المرتبطة بتجزئة الدوائر التركيبية والقوالب. وتشمل هذه (1) عواقب توزيع الدوائر بما في ذلك المقايضات وكيف يمكن التحايل عليها ، (2) القيود الخفية في تحقيق الدائرة الموزعة ، و (3) جذب ميزات جديدة للدوائر المقسمة. نحن نبني على هذا لفحص التطبيقات النموذجية ، التي توحد وتوسع مبادئ التصميم التي حصلنا عليها. إن رؤيتنا ، التي تنبثق من أكثر الاعتبارات الأساسية والعامة لتجزئة الدوائر الجينية ، وثيقة الصلة بمجموعة واسعة من الإعدادات.

هندسة التمثيل الغذائي لمسار الهندسة الكهربائية والميكانيكية في العصوية الرقيقة لزيادة التخليق الحيوي لميناكينون -7
  • يانوي ما ،
  • دايل دي مكلور ،
  • مارك ف. سومرفيل ،
  • نيكولاس دبليو بروشوغو ،
  • فاريبا دهقاني
  • جون م. كافانا ، و
  • نيكولاس في كولمان*

فيتامين K ضروري لتخثر الدم ويلعب أدوارًا مهمة في صحة العظام والقلب والأوعية الدموية. Menaquinone-7 (MK-7) هو أحد أشكال فيتامين K وهو مفيد بشكل خاص نظرًا لعمره النصفي الطويل في الدورة الدموية. يصعب صنع MK-7 عن طريق التخليق العضوي ، وبالتالي يتم إنتاجه بشكل شائع عن طريق التخمير. هدفت هذه الدراسة إلى تعديل مزارع العصيات الرقيقة وراثيًا لزيادة إنتاجها من MK-7 وتقليل تكاليف الإنتاج. قمنا ببناء 12 سلالة مختلفة من B. subtilis 168 عن طريق الإفراط في التعبير عن توليفات مختلفة من إنزيمات تحديد المعدل Dxs و Dxr و Idi و MenA. لاحظنا زيادة بمقدار 11 ضعفًا للإنتاج في السلالة الأفضل أداءً ، مما أدى إلى 50 مجم / لتر MK-7. كشف تحليل المستقلب عن اختناقات جديدة في المسار في IspG و IspH ، مما يشير إلى طرق لمزيد من التحسين. يسلط هذا العمل الضوء على فائدة Bacillus subtilis في الإنتاج الصناعي للمركبات عالية القيمة.

تحسين إنتاج البروتين الغشائي المؤتلف في الهندسة الإشريكية القولونية سلالات SuptoxD و SuptoxR
  • ميرسيني ميشو ،
  • Charalampos Kapsalis ،
  • كريستوس بليوتاس و
  • جورجيوس سكريتاس*

تقوم بروتينات الغشاء (MPs) بتنفيذ مجموعة متنوعة من الوظائف البيولوجية الحيوية في جميع الكائنات الحية وتشكل ما يقرب من نصف الأهداف الحالية لاكتشاف الأدوية. كما في حالة البروتينات القابلة للذوبان ، عملت بكتيريا Escherichia coli كمضيف شائع جدًا للتعبير الزائد للدراسات البيوكيميائية / الهيكلية لبروتينات الغشاء أيضًا. ومع ذلك ، فإن إنتاج بروتين الغشاء المؤتلف البكتيري يعوقه عادةً التراكم الخلوي الضعيف والسمية الشديدة للمضيف ، مما يؤدي إلى انخفاض مستويات الكتلة الحيوية النهائية وعوائد الحجم الدقيقة. في العمل السابق ، قمنا بتوليد سلالات E. coli المهندسة SuptoxD و SuptoxR ، والتي عند تعايش جينات المستجيب djlA أو rraA ، على التوالي ، يمكن أن تكبح السمية الخلوية الناتجة عن MP overexpression وإنتاج محسنات MP. هنا ، بحثنا بشكل منهجي عن الإفراط في التعبير الجيني وظروف الاستزراع التي تزيد من تراكم الأغشية المتكاملة والمطوية جيدًا أعضاء البرلمان في هذه السلالات. لقد وجدنا أنه في ظل الظروف المثلى ، يحقق SuptoxD و SuptoxR إنتاجًا معززًا بشكل كبير من المؤتلف لمجموعة متنوعة من MP ، بغض النظر عن أصلهم البدائي أو eubacterial أو حقيقي النواة. علاوة على ذلك ، نثبت أن استخدام هذه السلالات المهندسة يتيح إنتاج أعضاء برلمانيون مطويون جيدًا بجودة عالية وعوائد عالية ، ومناسبة للدراسات الوظيفية والهيكلية. نتوقع أن SuptoxD و SuptoxR سيصبحان مضيفين معبيرين مستخدمين على نطاق واسع لإنتاج MP المؤتلف في البكتيريا.

الجمعية الصغيرة غير المتجانسة في عصيات: تحديد المكونات اللازمة لتشكيل السقالات

الأجزاء الدقيقة البكتيرية (BMCs) هي عضيات تستضيف تفاعلات كيميائية حيوية محددة لكل من الوظائف الابتنائية والتقويضية. أظهرت BMCs المتنوعة هندسيًا والتي تحمل مسارات أنزيمية غير متجانسة إنتاجية محسنة للمواد الكيميائية السلعية ، مما يجعل BMCs مركزًا مهمًا للهندسة الأيضية. لا يزال يتعين تحقيق السيطرة على تجميع BMC وإدماج شحنة إنزيمية غير متجانسة في الحرارة. هنا ، نعالج هذا من خلال إجراء تحليل معلوماتي حيوي مفصل لأول مرة عن عامل استخدام البروبانيديول (pdu) في المحبة الحرارية Parageobacillus thermoglucosidasius. أظهرنا بعد ذلك ، في الجسم الحي ، القدرة على تجميع BMCs الأصلية عند درجة حرارة مرتفعة تبلغ 60 درجة مئوية. نتج عن التعبير غير المتجانس لبروتينات غلاف Pdu من P. thermoglucosidasius في Bacillus subtilis تجميع BMC أنبوبي واحد بمتوسط ​​طول 1.4 ميكرومتر مجمعة بعد تحريض 20 دقيقة للتعبير عن أوبرا قشرة. علاوة على ذلك ، نظهر أنه من الممكن استهداف المجلد الفائق الأحادي GFP (msfGFP) إلى داخل المقصورة عن طريق دمج تسلسل N-terminal لبروتين استخدام البروبانيديول (PduP) لما لا يقل عن 24 من الأحماض الأمينية. تحدد هذه الدراسة جدوى إنشاء مصانع خلايا للجزيئات الصغيرة في العصيات ذات الأهمية الصناعية و Geobacillus spp. عن طريق إنتاج وتجميع BMC لنقل البضائع غير المتجانسة. بالإضافة إلى ذلك ، توفر الدراسة تأكيدًا تجريبيًا على أن BMCs يتم إنتاجها في بكتيريا محبة للحرارة ، مما يفتح مسارًا للبحث في المستقبل حول إعادة تهيئة العضيات الأصلية لتوفير وظائف جديدة في درجات حرارة مرتفعة.

تشفير المفتاح المتماثل على أساس تفاعلات الانجذاب الحيوي

يُظهر البحث المقدم هنا جسرًا بين الكيمياء الحيوية والتشفير. تم استخدام المقايسات القائمة على الإنزيم في منهجية جديدة مرتبطة بالأصفار وأنظمة التشفير. تم استخدام ثلاث فحوصات منفصلة للإنزيم ، وهي الفوسفاتيز القلوي (ALP) (EC 3.1.3.1) ، والليزوزيم (EC 3.2.1.17) ، وبيروكسيداز الفجل (HRP) (EC 1.11.1.7) ، لإنشاء مفتاح تشفير من أجل تشفير رسالة. من خلال اختيار معلمات معينة للتجربة التي يتم إجراؤها بنفس طريقة تلقي الشخص للرسالة ، سيتم إنتاج مفاتيح التشفير وفك التشفير الصحيحة ، مما يؤدي إلى تشفير الرسالة وفك تشفيرها بشكل صحيح. من الضروري أن يقوم الطرفان بإجراء نفس التجربة في نفس الظروف من أجل تفسير الرسالة بشكل صحيح. توفر المقايسات القائمة على الانجذاب الحيوي ، ولا سيما المقايسات الأنزيمية ، آلية محددة ومرنة لاستخدامها في تشفير الرسائل. نظرًا لطبيعة هذه العملية ، هناك العديد من مجموعات المعلمات التي يمكن اختيارها ، كل منها ينتج عنه مفتاح مختلف يتم إنتاجه ، مما يزيد من أمان ومتانة الطريقة. توضح هذه الورقة أنه باستخدام هذا المفهوم الخاص بتكوين مفاتيح التشفير باستخدام نهج قائم على الانجذاب الحيوي ، يكون المرء قادرًا على تشفير رسالة وفك تشفيرها بشكل صحيح ، والتي يمكن أن تكون قابلة للتطبيق لتقنيات أخرى تعتمد على الكيمياء الحيوية.

مقايسة عالمية لصنع تكوينات هجينة من DNA و RNA و RNA-DNA للمعالجة أحادية الجزيء في خطوتين أو ثلاث خطوات بدون ربط
  • يا جون يانغ ،
  • لون سونغ ،
  • شياو كونغ تشاو
  • تشين تشانغ
  • ون تشيانغ وو ،
  • هوي جوان يو ،
  • هانغ فو ،
  • إر تشي تشو و
  • شينغ هوا تشانغ*

على الرغم من وجود مجموعة كبيرة ومتنوعة من الطوبولوجيا ، فإن معظم تكوينات DNA و RNA و RNA-DNA الهجينة (RDH) للتلاعب بجزيء واحد تتكون من عدة خيوط DNA و ssRNA أحادية السلسلة ، مع تسميات وظيفية في طرفيها الربط السطحي. على هذا الأساس ، قمنا بتطوير اختبار بسيط وقوي وشامل للتضخيم والتليين (AA) لعمل كل هذه التكوينات في خطوتين أو ثلاث خطوات دون تفاعلات هضم وربط غير فعالة. كأمثلة ، صنعنا ssDNA ، ssDNA القصير مع مقابض DNA مزدوجة الشريطة (ds) ، dsDNA مع مقابض ssDNA ، DNA / RDH / RNA على شكل شوكة النسخ المتماثل ، تقاطع عطلة DNA ، DNA متعدد المواقع ذو علامات متعددة ، التواء- RNA / RDH مقيد ، و ssRNA قصير مع مقابض RDH. بالإضافة إلى تقنيات المعالجة أحادية الجزيء بما في ذلك الملاقط الضوئية والملاقط المغناطيسية ومجهر القوة الذرية ، يمكن تطبيق هذه التكوينات في تقنيات ربط السطح الأخرى أيضًا.

الملاحظات الفنية
مهندس B. الرقيقة نظام المروج المحرض مع أكثر من 10000 طية من النطاق الديناميكي
  • سيباستيان إم كاستيلو هير ،
  • ماسايا فوجيتا
  • اوليج ايجوشين و
  • جيفري جيه تابور*

Bacillus subtilis هو النموذج الرائد للبكتيريا إيجابية الجرام ، وهيكل يستخدم على نطاق واسع لإنتاج البروتين الصناعي. ومع ذلك ، فإن أبحاث B. subtilis محدودة بسبب عدم وجود أنظمة محفزة محفزة مع تسرب منخفض ومدى ديناميكي عالٍ. هنا ، نقوم بتصميم نظام محفز محفز يعتمد على T7 RNA Polymerase (T7 RNAP) ، ومثبط اللاكتوز LacI ، والمروج الخيمري PT7lac ، المدمجين كنسخة واحدة في جينوم B. subtilis. في غياب IPTG ، يقوم LacI بقمع T7 RNAP و PT7lac بشدة ويقلل من التسرب. إضافة IPTG derepresses PT7lac وفي نفس الوقت تحفز التعبير عن T7RNAP ، مما ينتج عنه تعبير ناتج عالي جدًا. باستخدام بروتينات مراسلة الفلوريسنت الأخضر و β-galactosidase ، نقدر أن نظام LacI-T7 هذا يمكن أن ينظم التعبير بمدى ديناميكي يزيد عن 10000 ، وهو أكبر عدد تم الإبلاغ عنه لنظام محفز B. علاوة على ذلك ، يستجيب LacI-T7 لتركيزات IPTG مماثلة وبخواص حركية مماثلة لنظام Phy-spank IPTG-inducible المستخدم على نطاق واسع ، والذي نظهر أنه يحتوي على نطاق ديناميكي بحد أقصى 300 في سياق وراثي مشابه. نظرًا لأدائه المتفوق ، يجب أن يكون لنظامنا LacI-T7 تطبيقات واسعة في دراسات البيولوجيا والتكنولوجيا الحيوية الأساسية.

OpEn-Tag - مجموعة أدوات Optogenetic قابلة للتخصيص لتشريح الإشارات الخلوية
  • Wignand W. D. Mühlhäuser ،
  • ويلفريد ويبر و
  • جيرالد رادزيويل*

يعد التوطين الخلوي لجزيئات الإشارة سمة مميزة في تنظيم شبكة الإشارات. OpEn-Tag عبارة عن مجموعة أدوات استهداف غشاء داخلي بصري معياري تسمح بتغيير التوطين وبالتالي نشاط عمليات الإشارة مع الدقة الزمانية المكانية لعلم البصريات الوراثي. OpEn-Tag هو نظام مكون من عنصرين يستخدم (1) مجموعة متنوعة من الببتيدات المستهدفة المدمجة في وبالتالي إملاء توطين بروتين Cryptochrome 2 الذي يحمل علامة mCherry نحو الأغشية الداخلية المتميزة و (2) مستقبلات الضوء الأزرق الخلوي المسمى مضان الكريبتوكروم 2 كوحدة بناء قابلة للتخصيص يمكن دمجها مع البروتينات ذات الأهمية. يتيح الجمع بين OpEn-Tag وتحفيز عامل النمو أو استخدام تسلسلين مرساة غشائيتين التحقيق في عمليات نقل الإشارات متعددة الطبقات كما هو موضح هنا لبروتين كيناز AKT.

إنتاج البروتين الغشائي المستمر وعالي المستوى المعتمد على التصميم الثنائي في الإشريكية القولونية
  • نيكو جيه كلاسينس* ,
  • ماكس فنجر بو ،
  • بارت شولتن ،
  • فريدريك مويس ،
  • جوناس جيه دي جروت ،
  • جان ويليم دي جير ،
  • ويليم م. دي فوس ، و
  • جون فان دير أوست

تم استخدام Escherichia coli على نطاق واسع ككائن حي دقيق أساسي لإنتاج البروتين الغشائي وهندسة مصانع الخلايا. تتطلب الطرق الحالية لإنتاج بروتينات الغشاء في هذا الكائن الحي تحريض التعبير الجيني المستهدف وغالبًا ما تؤدي إلى عوائد منخفضة وغير مستقرة. هنا ، نقدم طريقة تجمع بين المروج التأسيسي ومكتبة من عناصر التصميم الثنائي (BCD) ، والتي تتيح بدء الترجمة المضبوطة الخالية من المحرض لإنتاج البروتين الأمثل. يتوسط نظامنا الإنتاج التأسيسي المستقر لبروتينات الغشاء البكتيري بعوائد تتفوق في الأداء على تلك التي تم الحصول عليها باستخدام E. coli Lemo21 (DE3) ، المعيار الذهبي الحالي لإنتاج بروتين الغشاء البكتيري. نتصور أن الإنتاج المستمر والضبط الدقيق والعالي المستوى لبروتينات الغشاء من خلال طريقتنا سيسهل بشكل كبير دراستها واستخدامها في مصانع الخلايا الهندسية.

إطار للتجميع المعياري والتوليفي لدارات الجينات الاصطناعية

تظهر دوائر الجينات الاصطناعية من دورات تصميم وبناء واختبار تكرارية. الأكثر شيوعًا ، خطوة تحديد الوقت هي عملية بناء الدائرة. هنا ، نقدم مخطط استنساخ هرمي يعتمد على طريقة تجميع جيبسون الواسعة الانتشار ونجعل مجموعة البلازميدات المُنشأة متاحة مجانًا. يتيح مخطط الاستنساخ المعياري المكون من خطوتين لدينا تجميعًا بسيطًا وسريعًا وفعالًا ودقيقًا للدوائر الجينية ومكتبات الدوائر التوافقية في الإشريكية القولونية. تتضمن الخطوة الأولى تجميع جيبسون لوحدات النسخ من الأجزاء المكونة إلى بلازميدات وسيطة فردية. في الخطوة الثانية ، يتم هضم هذه البلازميدات بمجموعات محددة من إنزيمات التقييد. تتداخل المناطق المرافقة الناتجة التي تدفع مجموعة جيبسون ثانية إلى بلازميد واحد لإنتاج الدائرة النهائية. يقلل هذا النهج بشكل كبير من تكاليف الوقت والتسلسل المرتبطة ببناء الدائرة الجينية ويسمح بالتجميع المعياري والتوليفي للدوائر. نبرهن على فائدة إطار العمل لدينا من خلال تجميع دائرة مزدوجة العاكس تستند إلى CRISPR ومكتبة اندماجية لشبكات ثلاثية العقد.


البيولوجيا التركيبية: الجوانب العديدة لبوليميراز T7 RNA

يوفر Split T7 RNA polymerase طرقًا جديدة لإنشاء دوائر جينية اصطناعية منفصلة عن العمليات التنظيمية للمضيف - ولكن كم مرة يمكن تقسيم هذا الإنزيم ، مع الاحتفاظ بوظيفته؟ بحث جديد أجراه Voigt وزملاؤه (Segall-Shapiro وآخرون، 2014) يشير إلى أنه قد يكون أكثر مما تعتقد.

أصبحت دوائر الجينات الاصطناعية أداة لا تقدر بثمن لدراسة مبادئ تصميم شبكات الجينات الأصلية وتسهيل التقنيات الحيوية الجديدة (طريقة وآخرون، 2014). غالبًا ما يسعى علماء الأحياء التركيبية إلى بناء دوائر في إطار يتيح تشغيلهم المتسق والقوي عبر مجموعة من المضيفين والظروف. في الوقت الحالي ، ومع ذلك ، يجب ضبط كل دائرة وإعادة ضبطها بدقة من أجل العمل بشكل صحيح داخل مضيف معين ، مما يؤدي إلى دورات تصميم مكلفة واستنتاجات مقصورة على فئة معينة. نتيجة لذلك ، استثمر الباحثون كثيرًا في تطوير استراتيجيات تفصل دوائر الجينات الاصطناعية عن أيض المضيف والتنظيم. في عملهم الأخير ، سيغال شابيرو وآخرون (2014) يعالج هذه المشكلة من خلال توسيع قدرات أنظمة النسخ المتعامد في الإشريكية القولونية باستخدام طفرات مجزأة من بوليميراز الجراثيم T7 RNA (T7 RNAP).

تتمتع T7 RNAP بعلاقة طويلة مع التكنولوجيا الحيوية وتشتهر بتماسكها ونشاط النسخ. يقود هذا البوليميراز الفردي الفردي بقوة النسخ من مروج صغير 17-bp يتم تنظيمه بشكل متعامد في بكتريا قولونية. في هذا السياق ، يعني المتعامد أن T7 RNAP لن يقوم بنسخ الجينات التي يقودها السكان الأصليون بكتريا قولونية المروجين ، والبوليميرات الأصلية في بكتريا قولونية لن يتعرف على المروج الخاص لـ T7 RNAP - أي أن نظامي النسخ يترك كل منهما الآخر بمفرده. ومن المثير للاهتمام ، أن T7 RNAP يقود النسخ بقوة لدرجة أنه إذا تُرك دون تنظيم ، فإنه يمكن أن يستنفد الموارد الخلوية بسرعة ويؤدي إلى موت الخلية. لهذا السبب ، تم الاستفادة من T7 RNAP في العديد من المواقف التي تتطلب الإفراط في التعبير عن البروتين (Studier & Moffatt ، 1986). بالإضافة إلى ذلك ، حددت الدراسات التي تفحص ارتباط T7 RNAP بمروجها حلقة خصوصية داخل الإنزيم تقوم بالاتصال المباشر مع المروج بين أزواج القاعدة −11 و 8. وقد أدى ذلك إلى عدد من الجهود التي أدت إلى ظهور طفرات T7 RNAP بخصائص معدلة للمروجين المتعامد مع الأصل (Chelliserrykattil وآخرون, 2001 ).

نظرًا للاهتمام المتزايد بتطوير دوائر الجينات الاصطناعية ، فقد اهتم الباحثون مجددًا بـ T7 RNAP. إن التعامد والنشاط النسخي وقابلية المروج لـ T7 RNAP تجعل الإنزيم مناسبًا بشكل فريد للاستخدام في دوائر الجينات الاصطناعية. الأهم من ذلك ، أن أي تعديلات يتم إجراؤها على الإنزيم تزيد من الوظائف الممكنة للدوائر. على سبيل المثال ، استخدمنا مؤخرًا إصدارًا مقسمًا من T7 RNAP جنبًا إلى جنب مع متحولات خصوصية المروج لإنشاء مكتبة من النسخ والبوابات (Shis & Bennett ، 2013). تم اكتشاف النسخة المنقسمة من T7 RNAP في الأصل أثناء التنقية وتبين أنها نشطة في المختبر (إيكيدا وريتشاردسون ، 1987). في حين أن كلا من النواة الحفازة ومجال ربط الحمض النووي يقعان على الجزء الطرفي C من الانقسام T7 RNAP ، فإن الجزء N-terminal مطلوب لاستطالة النص. لذلك ، إذا تم وضع نصفي RNAP المنفصل خلف اثنين من المروجين المحرضين المختلفين ، فيجب أن يكون كلا المدخلين نشطين من أجل تكوين إنزيم وظيفي وتنشيط جين المصب.عندما يتم دمج متحولة الانقسام مع طفرات خصوصية المروج ، يتم إنشاء مكتبة نسخ و بوابات.

سيغال شابيرو وآخرون خذ فكرة تقسيم T7 RNAP لبنى تنظيمية جديدة خطوة أخرى إلى الأمام. بدلاً من الاستقرار في الموقع المنفصل الذي تم اكتشافه بالفعل ، قام المؤلفون أولاً بتبسيط استراتيجية طفرات الينقولات (Segall-Shapiro وآخرون، 2011) لتحديد أربعة مواقع قطع جديدة داخل T7 RNAP. من خلال التعبير عن T7 RNAP الانقسام في موقعين مختلفين ، قاموا بإنشاء ثلاثي T7 RNAP - بوليميراز يتطلب جميع الوحدات الفرعية الثلاثة للنشاط. يقترح المؤلفون أن شظايا الإنزيم الثلاثي هي "نواة" و "ألفا" و "سيجما" (الشكل 1) واستمروا في إظهار أن T7 RNAP الثلاثي لا يمكن استخدامه فقط لإنشاء بوابات و 3 مدخلات ، ولكنه يعمل أيضًا "كمخصص للموارد". بمعنى آخر ، يمكن تنظيم نشاط النسخ للبوليميراز المنفصل عن طريق الحد من توافر جزء النواة و / أو ألفا ، أو عن طريق التعبير عن أجزاء سيجما الإضافية. يوضح المؤلفون استراتيجيات لحساب المزالق الشائعة في شبكات الجينات الاصطناعية مثل سمية المضيف وتغير عدد النسخ البلازميد.

الشكل 1. سيغال شابيرو وآخرون توسيع الجهود السابقة لهندسة T7 RNAP المنقسم عن طريق تفتيت الإنزيم في موقعين جديدين لإنشاء مجمع نسخ ثلاثي.

  • يتيح التعبير المشترك عن أجزاء سيجما المختلفة باستخدام شظايا ألفا والأساسية شبكة من بوابات ونسخ متعددة المدخلات.

ثلاثية T7 RNAP مقدمة من Segall-Shapiro وآخرون يوسع فائدة T7 RNAP في دوائر الجينات المتعامدة. حتى الآن ، بينما كان T7 RNAP جذابًا للاستخدام في دوائر الجينات الاصطناعية ، فإن عدم القدرة على تنظيم نشاطه غالبًا ما يمنع استخدامه. يؤدي تقسيم البروتين إلى أجزاء وتنظيم مجمع النسخ عن طريق توفر الأجزاء إلى جعل تنظيم T7 RNAP أقرب إلى تنظيم بوليميرات الحمض النووي الريبي بدائية النواة متعددة الوحدات الفرعية. توجه شظايا سيجما نشاط مجمع النسخ مثل عوامل σ ، ويساعد جزء ألفا في تنشيط النسخ بنفس طريقة شظايا α من البوليميرات بدائية النواة. للحصول على تنظيم إضافي ، لاحظ المؤلفون أنه يمكن تقسيم T7 RNAP الثلاثي بشكل أكبر في موقع الانقسام المكتشف سابقًا لإنشاء إنزيم مكون من أربعة أجزاء.

قد يكون التنظيم الأكثر دقة باستخدام تقسيم T7 RNAP ممكنًا مع إضافة مجالات التحوير غير المتجانسة التي يمكن أن تقود الارتباط المحدد للشظايا. تم تطبيق هذه الإستراتيجية بنجاح في هندسة الخصوصية وتنوع الإشارات في مسارات إشارات مكونة من عنصرين (Whitaker وآخرون، 2012). يمكن أيضًا توجيه نشاط T7 RNAP إلى العديد من المروجين باستخدام أجزاء سيجما متعددة في وقت واحد ، تمامًا كما تفعل عوامل في بكتريا قولونية. أخيرًا ، تخلق دوائر الجينات الاصطناعية المدفوعة أساسًا بواسطة T7 RNAP إمكانية دوائر الجينات القابلة للزرع بسهولة. تعتمد الدائرة الجينية الاصطناعية المدفوعة بالكامل بواسطة T7 RNAP المجزأ على توفر الشظايا أكثر من التفاعلات غير المعروفة مع التمثيل الغذائي للمضيف. وهذا من شأنه أن يسمح بالنماذج الأولية السريعة لدارات الجينات الاصطناعية في سلالات صديقة للمختبر أو أنظمة خالية من الخلايا (Shin & Noireaux ، 2012) قبل الزرع في المضيف المطلوب.


6 الخلاصة

لطالما كان الانتقال من وصف علم الأحياء إلى استغلاله لتلبية متطلباتنا جزءًا من المشروع البيولوجي - وبالتالي يعكس دائمًا الخطوط الرئيسية الحالية للبحث البيولوجي. لذلك ، نظرًا لأن البيولوجيا الجزيئية حاولت لفترة طويلة كشف الآليات الجزيئية المهمة في الوظيفة الخلوية ، فقد استغلت التكنولوجيا الحيوية هذه المعرفة واعتمدت بعض هذه الآليات لإنتاج المواد الكيميائية والإنزيمات والمستحضرات الصيدلانية الحيوية. الآن ، تتبنى البيولوجيا التركيبية أجندة طموحة للغاية في بناء كيانات بيولوجية جديدة على مستوى أكثر تعقيدًا من أي وقت مضى لتطبيقات جديدة.


علم الأحياء التركيبي القائم على الجراثيم لدراسة الأمراض المعدية

أثارت العدوى المقاومة للأدوية المتعددة اهتمامًا متجددًا بالعاثيات.

سمحت البيولوجيا التركيبية بتقنيات الجيل التالي من هندسة العاثيات.

تشكل العاثيات المهندسة والأجزاء المشتقة نموذجًا جديدًا لمضادات الميكروبات.

يسمح المراسلون القائمون على الجراثيم باكتشاف مسببات الأمراض المحددة.

تشكل مكونات الملتهمة مجموعة أساسية من الأجزاء في صندوق أدوات البيولوجيا التركيبية.

منذ اكتشافها ، ساهمت العاثيات بشكل كبير في فهمنا للبيولوجيا الجزيئية كنظم نموذجية. علاوة على ذلك ، قدمت العاثيات العديد من الأدوات التي طورت مجالات الهندسة الوراثية والبيولوجيا التركيبية. هنا ، نناقش التقنيات القائمة على العاثيات وتطبيقها في دراسة الأمراض المعدية. تمتلك الاستراتيجيات الجديدة للهندسة الجينومية القدرة على تسريع تصميم العاثيات الجديدة كعلاجات وتشخيصات وأدوات. على الرغم من مرور ما يقرب من قرن من الزمان منذ اكتشافها ، إلا أن العاثيات تستمر في التأثير بشكل كبير على العلوم البيولوجية الحديثة ، خاصة مع نمو البكتيريا المقاومة للأدوية المتعددة والاهتمام بالميكروبيوم.


البيولوجيا التركيبية: أدخل الآلة الحية

(الطبيعة) و - في عام 2000 ، بدأت ورقتان بارزتان ثورة في قدرتنا على تصميم وظائف جديدة تمامًا داخل الخلايا. أخذ المؤلفون دائرتين إلكترونيتين و [مدش] ومذبذب ومفتاح تبديل و [مدش] وقاموا ببناء ما يعادله من المادة الحية. أصبحت الحياة آلة. بالنسبة للكثيرين ، بمن فيهم أنا ، كانت هذه لحظة عميقة: بداية مجال البيولوجيا التركيبية. الآن مؤسسة دولية لديها القدرة على تغيير حياتنا ، تتخطى البيولوجيا التركيبية العمر والحدود التنظيمية ، وتشمل الشركات الكبيرة والشركات الناشئة الصغيرة والأكاديميين والمصلحين. في اصطناعي، مؤرخة العلوم الموهوبة صوفيا روستو تصف ملاحظاتها عن التطور الميداني و rsquos المبكر و [مدش] ثمرة تضمين نفسها في الحياة العملية لعلماء الأحياء الاصطناعية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج.

الآراء والآراء والمواقف التي عبر عنها هؤلاء المؤلفون والمدونات هي آراءهم وآرائهم ومواقفهم ولا تمثل بالضرورة وجهة نظر مكتبة أبحاث الأخلاقيات الحيوية ومعهد كينيدي للأخلاقيات أو جامعة جورج تاون.

أخبار أخلاقيات علم الأحياء


الكلمة الرئيسية: نحو بيولوجيا وهندسة اصطناعية قابلة للتطوير تتجاوز المفاعل الحيوي (BioSysBio 2009)

لقد كان الناس يقومون بـ & quot؛ Old School & quot synbio منذ فترة طويلة ، بالطبع: تناول الذرة (التي جاءت من Teosinte) ، والكلاب. ولكن هل التناسل الانتقائي مكافئ ، إلى حد ما ، مع & quot؛ مدرسة & quot؛ البيولوجيا التركيبية؟ يجادل بأنهم مثل synbio لأنهم من تصميم الإنسان. كما يجادل بأن الاختلاف الرئيسي هو أنه في synbio ، أنت تعرف ما تفعله. البيولوجيا غير التركيبية: مقدمة اصطناعية لضفادع القصب في أستراليا ، وهي فوضى هائلة. وجهة نظره هي أن أكبر تهديد للتنوع البيولوجي وصحة الإنسان هو الأشياء العامة الموجودة بالفعل.

لذا فإن الهدف من synbio هو أنه يمكن أن يجعل الأشياء أكثر شفافية وكفاءة وموثوقية ويمكن التنبؤ بها وآمنة. كيف يمكننا تقليل الوقت وتحسين موثوقية التخليق الحيوي؟ الأجزاء المعيارية ، CAD ، طرق التجميع السريع للأجزاء ، إلخ. ولكن هل التصميم قابل للتطوير؟ ستحتوي التطبيقات دائمًا على أجزاء خاصة بالتطبيق ، ولكن هناك مجموعات من الوظائف الشائعة أو المحتملة في جميع التطبيقات.

منطق النسخ. لماذا نصوص RNA؟ هناك الكثير من الأشكال المختلفة ، فهي تتجنب قيود المروج (التجانس المادي) ، ويخضع العديد منها لإقران قاعدة Watson-Crick (وبالتالي فهي قابلة للتصميم). يمكنك وضع مخففات متعددة في سلسلة. يمكنك أيضًا وضع مضادات مختلفة معًا لإنشاء بوابات منطقية مختلفة.

منطق البروتين: زيادة التدفق من خلال مسار التخليق الحيوي. أنشطة مختلفة لأنزيمات مختلفة & # 8211 تحولات مختلفة. فقدان الركيزة من خلال الجريان السطحي إلى مسارات أخرى. الحل: بناء سقالة لتحديد موضع الإنزيمات والركائز (استيراد من حقيقيات النوى). ثم أمضى بعض الوقت في وصف إعادة التركيب وديناميات الانفرتيز.

الأنظمة المتطورة معقدة ودقيقة. تحتاج كائنات Synbio إلى التعامل مع نفس عدم اليقين والمنافسة مثل الكائنات الحية الموجودة. أمضيت بعض الوقت في الحديث عن علاج السرطان بالبكتيريا. لماذا تنمو البكتيريا بشكل تفضيلي في الأورام؟ تركيزات أفضل للمغذيات ، وتقليل مراقبة المناعة ، ومعدلات النمو التفاضلية ، ومعدلات التصفية التفاضلية. في البشر ، البكتيريا التي تم تجربتها هي مسببات الأمراض ، مما يجعلك مريضًا ، وتحتاج إلى كميات كبيرة منها في الجسم. هناك واحد يستخدم لسرطان المثانة ، وله نسبة نجاح تصل إلى 85٪.

يرجى ملاحظة أن هذا المنشور هو مجرد ملاحظاتي على العرض التقديمي. لم يتم ضمان صحتها ، وما لم يتم النص عليها صراحةً فهي ليست آرائي. إنها لا تعكس آراء أصحاب العمل. أي أخطاء يمكن أن تفترض بسعادة أنها أخطاء لي وليس أي شخص آخر. أنا & # 39m سعيد لتصحيح أي أخطاء قد تكتشفها & # 8211 فقط أخبرني!


6 الاستنتاجات والتوقعات

يعد تطوير أدوات موثوقة وآمنة لتوصيل الجينات هدفًا ملحًا ، على سبيل المثال ، لعلاج الأمراض أحادية الجينات وتطوير مناهج علاجية جديدة. في السنوات الأخيرة ، تم تحديد عدد محدود فقط من مركبات التوصيل المؤهلة للتطبيقات في الجسم الحي. من بينها ، جذبت AAV اهتمامًا كبيرًا لأن سلامة ووظيفة هذا المتجه مدعومان بموافقات ثلاثة علاجات قائمة على AAV. ومع ذلك ، على الرغم من هذه النجاحات ، ما زلنا بعيدين عن امتلاك وسيلة توصيل جينات قابلة للتطبيق عالميًا وقابلة للتكيف. تشمل العقبات الرئيسية وجود الأجسام المضادة المعادلة في غالبية الناس ، والحاجة إلى تحسين استهداف أنسجة وأنواع خلايا معينة ، والكفاءة المحدودة لنقل الجينات. يلعب العدد الأول دورًا ثانويًا في المرضى الصغار جدًا الذين يفتقرون إلى جهاز مناعي مدرب بشكل كامل ويكونون في الغالب سلبيين للأجسام المضادة لـ AAV ، أو لعلاج المواقع ذات الامتياز المناعي جزئيًا مثل الدماغ أو العين. يبدو أن عقار Luxturna للعلاج الجيني في الشبكية و Zolgensma لعلاج ضمور العضلات الشوكي عند الأطفال من الثمار المنخفضة المعلقة في هذا الصدد. ومع ذلك ، ربما فتحوا الباب لتطوير واعتماد علاجات إضافية تعتمد على AAV. كانت الأجسام المضادة العلاجية وحيدة النسيلة في وضع مماثل منذ أكثر من 30 عامًا. كان Orthoclone OKT3 أول جسم مضاد معتمد للاستخدام السريري في البشر ، [234 ، 235] على الرغم من سحبه من السوق في عام 2010 بسبب توفر علاجات بديلة وأكثر أمانًا. ومع ذلك ، مثل Glybera ، كانت رائدة في استراتيجية علاجية جديدة. يمكن أن يتسبب الأصل الفأري لـ OKT3 في استجابات HAMA (الأجسام المضادة للفئران البشرية) المرتبطة بأعراض خفيفة إلى مهددة للحياة. ونتيجة لذلك ، تم بذل جهود هائلة لتطوير وتصنيع أجسام مضادة علاجية بشرية أو بشرية بالكامل. [236] اليوم ، تُستخدم هذه الأجسام المضادة بنجاح في علاج أنواع مختلفة من السرطان ، وأمراض القلب والأوعية الدموية ، والأمراض المعدية ، وأمراض المناعة الذاتية. [237] وبالمثل ، فإن توصيل الجينات المعتمد على AAV يوفر إمكانات هائلة لتطوير أساليب علاجية جديدة ، مثل علاجات استبدال الجينات ، أو العلاج بالعقاقير الأولية الموجهة بالفيروسات ، أو استراتيجيات التطعيم الجديدة. أثارت الموافقة على العلاجات القائمة على AAV اهتمامًا متزايدًا بالبيولوجيا الأساسية لهذا الفيروس وهندسة AAVs الجديدة بوظائف محسنة. كلا الموضوعين البحثيين يسيران جنبًا إلى جنب ويكمل كل منهما الآخر جيدًا. سيساعد الفهم الأعمق لآليات الامتصاص الخلوي والاتجار داخل الخلايا ، على سبيل المثال ، في إنشاء AAVs بخصائص نقل محسّنة.

يعتمد مستقبل AAV كمركبة لتوصيل الجينات العلاجية بشكل صارم على مسألة ما إذا كان يمكن تحقيق التطبيق الواسع في الجسم الحي لـ AAV.

العوامل الإضافية التي يجب أخذها في الاعتبار ، والتي غالبًا ما يتم التقليل من شأنها في الأوساط الأكاديمية ، هي جدوى وتكلفة إنتاج AAV والمعالجة النهائية. الاستراتيجيات التي تدمج جميع الجوانب الثلاثة الرئيسية - هندسة AAV ، والتطبيق العام في الجسم الحي ، والإنتاج المجدي - هي الأكثر تحديًا لكنها من المحتمل أن تكون الأكثر فائدة لتحقيق الاختراقات السريرية.

هنا ، توفر البيولوجيا التركيبية أدوات ومفاهيم قيمة لمواجهة التحديات الرئيسية. إن دمج المفاتيح الكيميائية وعلم البصريات الوراثي في ​​تصميمات القفيصة يفتح الباب أمام الاستهداف الدقيق الزماني والمكاني للأنسجة والخلايا. يمكن استكمال هذه التصميمات بأنظمة تستعيد القدرة على الانتقال استجابةً لواسمات الأمراض الذاتية مثل البروتياز المعين أو درجة الحموضة المنخفضة في البيئة المكروية للأورام. قد تقلل مثل هذه الأساليب عمليات النقل خارج الهدف وبالتالي الآثار الجانبية وبالتالي زيادة كفاءة النواقل الفيروسية. علاوة على ذلك ، فإن المفاتيح البيولوجية الاصطناعية تمكن من التعبير الجيني القابل للضبط والتحكم فيه ، والذي يمكن أن يكون وسيلة واعدة للوقت ، والجرعة ، وربما تقليل الاستجابات المناعية ضد الجين العلاجي. يمكن مواجهة التحدي المتمثل في المناعة الموجودة مسبقًا ضد AAV من خلال مناهج مختلفة ، والتي تشمل إنشاء متغيرات قفيصة جديدة أو سلفية خالية من حواتم NAb الحالية ، أو هندسة الدروع الخفية ، أو تطوير هجينة ناقلات فيروسية جديدة تمامًا. من المزايا البارزة للنُهج البيولوجية الاصطناعية هي نمطية ومرونة مفاهيم التصميم ، مما يسهل التخصيص والتخصيص لمتغيرات AAV.

التجارب السريرية الحالية مع الكبسولات المهندسة حيوياً واعدة ومن المرجح أن تطلق حقبة جديدة من البحث والتطوير المستندة إلى AAV. أحد العوامل المهمة التي ستؤثر على التحقيقات المستقبلية أو حتى تحددها هو تكامل تخصصات متعددة لتصميم أو تطوير الجيل التالي من مركبات AAV. قيمة التطورات متعددة التخصصات واضحة في المجالات العلمية الأخرى. أدى الجمع بين تقنيات البيولوجيا الجزيئية وعلم الأحياء الخلوي مع الأساليب (الحيوية) الكيميائية أو الرياضية أو الفيزيائية أو التقنية إلى ظهور تخصصات جديدة في ، على سبيل المثال ، البيولوجيا التركيبية ، [155 ، 156 ، 238] هندسة النظم الدقيقة ، [239] -241] وعلم المواد. [179 ، 242 ، 243] يمكن توقع اتجاه مماثل في هندسة متغيرات AAV لمواجهة التحديات السريرية الحالية. يمكن للتطورات في البيولوجيا التركيبية أن تتيح هندسة مركبات AAV التي تتجاوز التعديلات القياسية وتصميمات أشرطة التعبير. على الرغم من أنه من المشكوك فيه ما إذا كانت التصميمات المبكرة الحالية ستدخل العيادة ، يمكن اعتبارها خطوة أولى نحو الجيل التالي من مركبات توصيل الجينات. إن الأمل الذي أيقظه هذا الفيروس الصغير كبير: قد يؤدي التآزر بين البحوث الأساسية والتصميمات العقلانية والتطورية والهندسة البيولوجية الاصطناعية إلى ظهور مناهج جديدة لتحسين العلاجات الحالية ومعالجة الأمراض التي لم يتم علاجها حتى الآن.


شاهد الفيديو: سكتش الأحياء التركيبية (كانون الثاني 2023).