دانشمندان به تولید سلولهای مصنوعی نزدیکتر شدند
باشگاه خبرنگاران جوان - مولکول های DNA و RNA، عناصر اساسی حیات هستند که اطلاعات ژنتیکی مورد نیاز برای تولید پروتئین ها را حمل می کنند. با این حال، ویژگی های منحصر به فرد آنها موجب شده است که به عنوان مصالح ساختمانی بیولوژیکی نیز مورد استفاده قرار گیرند. طبیعت این قابلیت را میلیارد ها سال پیش کشف کرده است؛ به عنوان مثال، ریبوزوم ها تا حدی از RNA ساخته شده اند.
دانشمندان برای سال ها توالی های خاصی از DNA و RNA را طراحی کرده اند که موجب می شود این مولکول ها به طور خودکار به شکل های از پیش تعیین شده آرایش یابند. این روش به نام «اوریگامی DNA یا RNA» شناخته می شود.
این ساختار های مهندسی شده می توانند بسیار پیچیده باشند؛ برای مثال، جعبه های نانویی ساخته شده از DNA که دارو ها را مستقیم به محل هدف منتقل می کنند و سپس با باز کردن یک «در مولکولی»، محتویات خود را آزاد می سازند. اکنون، مطالعه ای جدید از دانشگاه هایدلبرگ که در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است، فناوری اوریگامی RNA را به سطحی جدید ارتقا داده است.
پژوهشگران در این مطالعه، مولکول های RNA را طوری طراحی کردند که به طور خودکار به ساختار هایی شبیه به اسکلت سلولی آرایش یابند. اسکلت سلولی که به طور طبیعی از فیلامنت های پروتئینی و میکروتوبول ها تشکیل شده است، نقشی کلیدی در حفظ شکل و پایداری سلول دارد. پژوهشگران در مقاله خود توضیح داده اند: ما کاشی های اوریگامی RNA را طراحی کردیم که پس از رونویسی، تا شده و به نانولوله های اوریگامی RNA با طول چندین میکرومتر تبدیل می شوند.
این تیم تحقیقاتی، قالب های DNA و آنزیم RNA پلیمراز، که برای رونویسی DNA به RNA ضروری است، را درون وزیکول های لیپیدی تک لایه ای بزرگ (GUVs) قرار دادند و به نوعی «پروتوسل» مصنوعی ایجاد کردند. برای تأمین واحد های سازنده RNA (نوکلئوتیدها) در این سلول های مصنوعی، آنها از پروتئین منفذدار غشایی باکتریایی آلفا-همولیزین (α-haemolysin) استفاده کردند. همچنین، یون های منیزیم (⁺Mg²) به عنوان عاملی برای جلوگیری از رونویسی زودهنگام عمل کردند و پروتئین منفذدار، فرآورده های جانبی رونویسی را از محیط سلولی حذف کرد.
به محض آغاز رونویسی، رشته های RNA به سرعت تا خورده و درون این سلول های مصنوعی به نانولوله ها تبدیل شدند. برخی از این نانولوله ها به طول چندین میکرومتر رسیدند که از نظر ابعاد با ساختار های اسکلت سلولی واقعی قابل مقایسه هستند.
جالب اینجاست که تغییرات جزئی در توالی قالب DNA به تغییرات قابل توجهی در ساختار نهایی اوریگامی RNA منجر شد؛ به عنوان مثال، تنها با اصلاحات اندک، ساختار های حاصل به جای نانولوله، به حلقه هایی تبدیل شدند. برای افزایش مقیاس این ساختارها، پژوهشگران از آپتامر ها استفاده کردند. آپتامرها، توالی های خاصی از RNA هستند که قادر به اتصال به اهداف مولکولی مشخص، از جمله سایر مولکول های RNA هستند. با گنجاندن آپتامرها، نانولوله ها به شبکه هایی شبیه به اسکلت سلولی با ابعاد ده ها میکرومتر تبدیل شدند.
علاوه بر این، آپتامر ها در ایجاد ساختار های مشابه کورتکس (قشر سلولی) که به غشای لیپیدی متصل می شوند نیز مفید بودند. این ویژگی مشابه کورتکس هایی است که در سلول های واقعی مشاهده می شود. در صورت ادامه تأمین نوکلئوتیدها، شبکه های ساختاری آن قدر گسترده می شدند که شکل وزیکول های لیپیدی را تغییر می دادند؛ قابلیتی که یکی از ویژگی های اصلی اسکلت سلولی محسوب می شود.
یکی از مهم ترین مزایای اوریگامی RNA این است که این ساختار ها را می توان مستقیم درون سلول ها تولید کرد. زمانی که قالب های DNA وارد سلول شوند، یک آنزیم واحد، پلیمراز T ۷، قادر خواهد بود تعداد زیادی از محصولات RNA را از روی این قالب ها بسازد. در مقایسه، ماشین بیولوژیکی رونویسی-ترجمه کامل برای عملکرد صحیح، به بیش از ۱۵۰ ژن نیاز دارد.
دکتر کرستین گوپفریش (Kerstin Göpfrich)، نویسنده اصلی این مطالعه، توضیح می دهد: برخلاف اوریگامی DNA، اوریگامی RNA این امکان را فراهم می کند که سلول های مصنوعی، خودشان مصالح سازنده خود را تولید کنند. این موضوع می تواند چشم انداز های جدیدی را برای تکامل هدایت شده چنین سلول هایی ایجاد کند.
این کشف اولیه، دارای پیامد های گسترده ای است، از جمله در زمینه تحقیقات پیرامون پیری. این فناوری می تواند به دانشمندان کمک کند تا تکامل اولیه سلول ها را بهتر درک کنند، سیستم های زیست تقلیدی (بیومیمتیک) توسعه دهند و سلول هایی با وظایف خاص مهندسی کنند.
اگرچه ایجاد سلول های مصنوعی یوکاریوتی کاملا عملکردی به دلیل پیچیدگی زیاد آنها هنوز در افق دوری قرار دارد، اما مسیر ایجاد «پروتوسل های» پروکاریوتی ساده، اما کاربردی اکنون کوتاه تر شده است.
در حال حاضر، باکتری ها به طور گسترده برای تولید مولکول های زیستی استفاده می شوند، اما سلول های مصنوعی می توانند این فرآیند را ساده تر کرده و حتی تولید پروتئین را مستقیما درون موجودات زنده امکان پذیر کنند، بدون اینکه مشکلات ایمونولوژیکی ناشی از استفاده از باکتری ها ایجاد شود.
برای مثال، چنین پروتوسل هایی می توانند پروتئین های ضروری مانند کلاژن و الاستین را برای حفظ عملکرد جوان ماتریکس خارج سلولی (ECM) تولید کنند.
نویسندگان این مطالعه پیش بینی می کنند که ساختار های آینده اوریگامی RNA دیگر صرفا به عنوان داربست های غیرفعال عمل نخواهند کرد، بلکه با یکپارچه سازی ریبوزیم ها -مولکول های RNA با قابلیت فعالیت آنزیمی- به انجام وظایف پیچیده سلولی خواهند پرداخت.
گوپفریش اظهار داشت که هدف نهایی این پژوهش، ایجاد ماشین های مولکولی کاملا عملکردی برای سلول های مصنوعی مبتنی بر RNA است.
منبع: ستاد نانو
دانشمندان برای سال ها توالی های خاصی از DNA و RNA را طراحی کرده اند که موجب می شود این مولکول ها به طور خودکار به شکل های از پیش تعیین شده آرایش یابند. این روش به نام «اوریگامی DNA یا RNA» شناخته می شود.
این ساختار های مهندسی شده می توانند بسیار پیچیده باشند؛ برای مثال، جعبه های نانویی ساخته شده از DNA که دارو ها را مستقیم به محل هدف منتقل می کنند و سپس با باز کردن یک «در مولکولی»، محتویات خود را آزاد می سازند. اکنون، مطالعه ای جدید از دانشگاه هایدلبرگ که در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است، فناوری اوریگامی RNA را به سطحی جدید ارتقا داده است.
پژوهشگران در این مطالعه، مولکول های RNA را طوری طراحی کردند که به طور خودکار به ساختار هایی شبیه به اسکلت سلولی آرایش یابند. اسکلت سلولی که به طور طبیعی از فیلامنت های پروتئینی و میکروتوبول ها تشکیل شده است، نقشی کلیدی در حفظ شکل و پایداری سلول دارد. پژوهشگران در مقاله خود توضیح داده اند: ما کاشی های اوریگامی RNA را طراحی کردیم که پس از رونویسی، تا شده و به نانولوله های اوریگامی RNA با طول چندین میکرومتر تبدیل می شوند.
این تیم تحقیقاتی، قالب های DNA و آنزیم RNA پلیمراز، که برای رونویسی DNA به RNA ضروری است، را درون وزیکول های لیپیدی تک لایه ای بزرگ (GUVs) قرار دادند و به نوعی «پروتوسل» مصنوعی ایجاد کردند. برای تأمین واحد های سازنده RNA (نوکلئوتیدها) در این سلول های مصنوعی، آنها از پروتئین منفذدار غشایی باکتریایی آلفا-همولیزین (α-haemolysin) استفاده کردند. همچنین، یون های منیزیم (⁺Mg²) به عنوان عاملی برای جلوگیری از رونویسی زودهنگام عمل کردند و پروتئین منفذدار، فرآورده های جانبی رونویسی را از محیط سلولی حذف کرد.
به محض آغاز رونویسی، رشته های RNA به سرعت تا خورده و درون این سلول های مصنوعی به نانولوله ها تبدیل شدند. برخی از این نانولوله ها به طول چندین میکرومتر رسیدند که از نظر ابعاد با ساختار های اسکلت سلولی واقعی قابل مقایسه هستند.
جالب اینجاست که تغییرات جزئی در توالی قالب DNA به تغییرات قابل توجهی در ساختار نهایی اوریگامی RNA منجر شد؛ به عنوان مثال، تنها با اصلاحات اندک، ساختار های حاصل به جای نانولوله، به حلقه هایی تبدیل شدند. برای افزایش مقیاس این ساختارها، پژوهشگران از آپتامر ها استفاده کردند. آپتامرها، توالی های خاصی از RNA هستند که قادر به اتصال به اهداف مولکولی مشخص، از جمله سایر مولکول های RNA هستند. با گنجاندن آپتامرها، نانولوله ها به شبکه هایی شبیه به اسکلت سلولی با ابعاد ده ها میکرومتر تبدیل شدند.
علاوه بر این، آپتامر ها در ایجاد ساختار های مشابه کورتکس (قشر سلولی) که به غشای لیپیدی متصل می شوند نیز مفید بودند. این ویژگی مشابه کورتکس هایی است که در سلول های واقعی مشاهده می شود. در صورت ادامه تأمین نوکلئوتیدها، شبکه های ساختاری آن قدر گسترده می شدند که شکل وزیکول های لیپیدی را تغییر می دادند؛ قابلیتی که یکی از ویژگی های اصلی اسکلت سلولی محسوب می شود.
یکی از مهم ترین مزایای اوریگامی RNA این است که این ساختار ها را می توان مستقیم درون سلول ها تولید کرد. زمانی که قالب های DNA وارد سلول شوند، یک آنزیم واحد، پلیمراز T ۷، قادر خواهد بود تعداد زیادی از محصولات RNA را از روی این قالب ها بسازد. در مقایسه، ماشین بیولوژیکی رونویسی-ترجمه کامل برای عملکرد صحیح، به بیش از ۱۵۰ ژن نیاز دارد.
دکتر کرستین گوپفریش (Kerstin Göpfrich)، نویسنده اصلی این مطالعه، توضیح می دهد: برخلاف اوریگامی DNA، اوریگامی RNA این امکان را فراهم می کند که سلول های مصنوعی، خودشان مصالح سازنده خود را تولید کنند. این موضوع می تواند چشم انداز های جدیدی را برای تکامل هدایت شده چنین سلول هایی ایجاد کند.
این کشف اولیه، دارای پیامد های گسترده ای است، از جمله در زمینه تحقیقات پیرامون پیری. این فناوری می تواند به دانشمندان کمک کند تا تکامل اولیه سلول ها را بهتر درک کنند، سیستم های زیست تقلیدی (بیومیمتیک) توسعه دهند و سلول هایی با وظایف خاص مهندسی کنند.
اگرچه ایجاد سلول های مصنوعی یوکاریوتی کاملا عملکردی به دلیل پیچیدگی زیاد آنها هنوز در افق دوری قرار دارد، اما مسیر ایجاد «پروتوسل های» پروکاریوتی ساده، اما کاربردی اکنون کوتاه تر شده است.
در حال حاضر، باکتری ها به طور گسترده برای تولید مولکول های زیستی استفاده می شوند، اما سلول های مصنوعی می توانند این فرآیند را ساده تر کرده و حتی تولید پروتئین را مستقیما درون موجودات زنده امکان پذیر کنند، بدون اینکه مشکلات ایمونولوژیکی ناشی از استفاده از باکتری ها ایجاد شود.
برای مثال، چنین پروتوسل هایی می توانند پروتئین های ضروری مانند کلاژن و الاستین را برای حفظ عملکرد جوان ماتریکس خارج سلولی (ECM) تولید کنند.
نویسندگان این مطالعه پیش بینی می کنند که ساختار های آینده اوریگامی RNA دیگر صرفا به عنوان داربست های غیرفعال عمل نخواهند کرد، بلکه با یکپارچه سازی ریبوزیم ها -مولکول های RNA با قابلیت فعالیت آنزیمی- به انجام وظایف پیچیده سلولی خواهند پرداخت.
گوپفریش اظهار داشت که هدف نهایی این پژوهش، ایجاد ماشین های مولکولی کاملا عملکردی برای سلول های مصنوعی مبتنی بر RNA است.
منبع: ستاد نانو
گفتگو با هوش مصنوعی
💬 سلام! میخوای دربارهی «دانشمندان به تولید سلولهای مصنوعی نزدیکتر شدند» بیشتر بدونی؟ من اینجام که راهنماییت کنم.