مقدمه: بازاندیشی در مورد اجزای سازنده حیات

زیست‌شناسی مصنوعی در حال ورود به یک مرحله دگرگون‌کننده است—مرحله‌ای که در آن سیستم‌های شبیه به حیات را می‌توان از صفر و با استفاده از تعداد انگشت‌شماری از مولکول‌های اساسی ساخت. یک پرسش جسورانه این حوزه را هدایت می‌کند: آیا می‌توانیم سلول‌هایی را از اجزای غیرزنده مهندسی کنیم که بتوانند مانند حیات طبیعی رشد کنند، تکامل یابند و عمل کنند؟ این مطالعه، منتشر شده در Nature Nanotechnology، یک گام اساسی در جهت پاسخ دادن به این پرسش پیشنهاد می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه اوریگامی RNA—نانوساختارهای خودتاشونده که کاملاً از RNA ساخته شده‌اند—می‌توانند به عنوان اسکلت سلولی سلول‌های مصنوعی عمل کنند.

محققان با موفقیت این اسکلت‌های سلولی RNA را در داخل محفظه‌های مصنوعی شبیه به سلول‌ها که به عنوان وزیکول‌های تک‌لایه‌ای غول‌پیکر (GUVs) شناخته می‌شوند، رمزگذاری، رونویسی و مونتاژ کردند. این دستاورد پیچیدگی سنتز پروتئین را دور می‌زند و دری را به سوی اشکال ساده‌تر، قابل برنامه‌ریزی و بالقوه تکامل‌پذیر حیات مصنوعی می‌گشاید.

چرا اوریگامی RNA؟

دهه‌هاست که فناوری نانو DNA ابزارهایی را برای ساخت ساختارهای در مقیاس نانو ارائه داده است. با این حال، اوریگامی DNA محدودیت‌هایی دارد: اغلب به اصلاحات شیمیایی و مراحل حرارتی نیاز دارد که در داخل سلول‌های مصنوعی امکان‌پذیر نیستند. علاوه بر این، DNA نمی‌تواند به راحتی هم به عنوان حامل اطلاعات و هم به عنوان یک جزء ساختاری عمل کند بدون اینکه طراحی را پیچیده کند.

اینجاست که RNA می‌درخشد. برخلاف DNA، RNA می‌تواند هم اطلاعات ژنتیکی را حمل کند و هم مانند پروتئین‌ها به ساختارهای سه‌بعدی عملکردی تا بخورد. و برخلاف پروتئین‌ها، RNA می‌تواند در داخل سلول‌های مصنوعی تنها با استفاده از یک آنزیم تولید شود: RNA پلیمراز. این مطالعه از این سادگی ظریف برای توسعه اسکلت‌های سلولی اوریگامی RNA با رمزگذاری ژنتیکی استفاده می‌کند.

دور زدن دگم مرکزی

جریان سنتی اطلاعات بیولوژیکی—از DNA به RNA به پروتئین—به عنوان دگم مرکزی زیست‌شناسی مولکولی شناخته می‌شود. برای زیست‌شناسی مصنوعی، این فرآیند پیچیده و نیازمند ژن‌های زیادی است؛ تنها برای تکثیر ماشین‌آلات رونویسی-ترجمه مورد نیاز برای سنتز پروتئین، بیش از 150 ژن لازم است.

اما اگر بتوانیم ترجمه را به طور کلی دور بزنیم چه؟ نویسندگان با ایجاد سخت‌افزار مبتنی بر RNA مستقیماً از قالب‌های DNA، “دگم مرکزی” را دور می‌زنند. این امر به طور چشمگیری پیچیدگی ژنتیکی مورد نیاز برای ساخت سلول‌های مصنوعی عملکردی را کاهش می‌دهد و یک مسیر ساده اما عملکردی به سوی حیات مصنوعی ارائه می‌دهد.

طراحی و تولید اسکلت‌های سلولی RNA در GUVها

1. داخل سلول مصنوعیGUVها:

این تیم از GUVها به عنوان مدل سلول مصنوعی استفاده کرد—وزیکول‌های لیپیدی کروی که معماری اساسی سلول‌های زنده را تقلید می‌کنند. این وزیکول‌ها با موارد زیر پر شده بودند:

یک قالب DNA که اوریگامی RNA را رمزگذاری می‌کند

RNA پلیمراز T7 (ماشین‌آلات رونویسی)

مواد مغذی مانند نوکلئوتیدها (ATP، GTP، CTP و UTP)

رونویسی (سنتز RNA) با افزودن یون‌های Mg²⁺ یا نوکلئوتیدها از خارج، با مکانیسم‌های کنترل دقیقاً طراحی شده، آغاز شد:

واردات Mg²⁺ با استفاده از یونوفورها باعث تا خوردن RNA شد.

منافذ آلفا-همولیزین اجازه ورود مواد مغذی و خروج مواد زائد را می‌داد و عملکرد را حفظ می‌کرد.

2. اوریگامی RNA خود تاشونده

RNA رونویسی شده در داخل GUVها به گونه‌ای طراحی شده بود که به صورت همزمان با رونویسی تا بخورد—یعنی، در حین سنتز به شکل نهایی خود در می‌آمد. این مرحله حیاتی است زیرا تضمین می‌کند که ساختارهای RNA به طور خود به خود و دقیق و بدون دستکاری خارجی مانند گرم کردن یا خالص‌سازی تشکیل می‌شوند.

واحد سازنده اساسی یک قطعه RNA تک‌رشته‌ای بود که به نانولوله‌های RNA در مقیاس میکرومتر، شبیه به رشته‌های اسکلت سلولی در سلول‌های واقعی، مونتاژ می‌شود.

مهندسی ساختارهای مختلف RNA: نانولوله‌ها، حلقه‌ها و موارد دیگر

نانولوله‌های RNA

این نانولوله‌ها برای تقلید از رشته‌های اسکلت سلولی طراحی شده بودند. میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و شبیه‌سازی‌ها تأیید کردند که قطعات RNA به ساختارهای توخالی و لوله‌ای تا چندین میکرومتر طول خود مونتاژ می‌شوند. این نانولوله‌ها سختی مکانیکی چشمگیری داشتند، با طول پایداری تا 3.4 میکرومتر—قابل مقایسه با اسکلت‌های سلولی بیولوژیکی.

اصلاحات عملکردی

برای آزمایش مدولار بودن، محققان موارد زیر را اضافه کردند:

یک آپتامر iSpinach برای تجسم RNA با فلورسانس

یک آپتامر متصل شونده به بیوتین برای لنگر انداختن نانولوله‌های RNA به غشاهای GUV

هر اصلاحی ویژگی‌های مکانیکی ساختارهای RNA را تغییر داد و بر سختی و رفتار دسته‌ای آن‌ها تأثیر گذاشت، اما یکپارچگی ساختاری آن‌ها را به خطر نینداخت.

حلقه‌های RNA ناشی از جهش‌ها

جالب توجه است که یک جهش ساده در توالی RNA منجر به تغییر چشمگیری در شکل شد. به جای نانولوله‌ها، RNA به حلقه‌های نانویی پایدار تا خورد و انعطاف‌پذیری فنوتیپی را نشان داد. این نتیجه نشان می‌دهد که چگونه تغییرات ژنتیکی کوچک می‌توانند منجر به تفاوت‌های عملکردی بزرگ شوند—دقیقاً مانند زیست‌شناسی واقعی. توانایی رمزگذاری اشکال و عملکردهای مختلف با تغییر طرح DNA، قابلیت تکامل را به این سیستم وارد می‌کند.

عملکرد اوریگامی RNA در داخل سلول‌های مصنوعی

یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های این مطالعه، بیان اسکلت‌های سلولی RNA در داخل GUVهای زنده است. محققان در طول زمان مشاهده کردند:

شبکه‌های فلورسنت از نانولوله‌های RNA که در داخل وزیکول‌ها تشکیل می‌شوند

اتصال RNA به غشای داخلی (از طریق برهمکنش‌های بیوتین–آپتامر–لیپید)، تشکیل یک اسکلت سلولی قشری

در برخی موارد، تغییر شکل GUV—نشانه‌ای از نیروی مکانیکی فعال اعمال شده توسط اسکلت سلولی RNA در حال رشد

این رفتار منعکس‌کننده نحوه شکل‌دهی و پشتیبانی اسکلت سلولی از سلول‌های طبیعی است و نشان می‌دهد که اوریگامی RNA می‌تواند به طور عملکردی جایگزین ماشین‌آلات پروتئینی شود.

چه چیزی این کار را انقلابی می‌کند؟

1. سخت‌افزار با قابلیت رمزگذاری ژنتیکی

برخلاف اوریگامی DNA، که باید سنتز شده و سپس کپسوله شود، اوریگامی RNA می‌تواند در داخل سلول‌های مصنوعی از یک قالب DNA ساخته شود. این بدان معناست که سلول‌های مصنوعی می‌توانند سخت‌افزار خود را بسازند—یک ویژگی اساسی برای خودتکثیری و تکامل.

2. حداقل الزامات

این سیستم تنها با یک پروتئین—RNA پلیمراز—کار می‌کند، در حالی که برای بیان پروتئین به بیش از 150 پروتئین نیاز است. این کاهش برای ساخت ساده‌ترین اشکال ممکن حیات مصنوعی بسیار مهم است.

3. قابلیت برنامه‌ریزی و تطبیق‌پذیری

با تغییر کد DNA، محققان می‌توانند موارد زیر را طراحی کنند:

لوله‌ها یا حلقه‌ها

ساختارهایی با سختی یا طول متفاوت

سطوح عملکردی با استفاده از آپتامرها

این سطح از کنترل نشان می‌دهد که در آینده اوریگامی RNA می‌تواند از منطق، حرکت، انتقال و حسگری در سلول‌های مصنوعی پشتیبانی کند.

نگاه به آینده: تکامل و اتوماسیون

از آنجایی که کل ساختار به صورت ژنتیکی رمزگذاری شده است، این سیستم ذاتاً قابل تکامل است. جهش‌ها در DNA می‌توانند منجر به انواع ساختاری یا عملکردی جدید شوند که می‌توان آن‌ها را برای ویژگی‌های مفید انتخاب کرد. اوریگامی RNA در ترکیب با طراحی هدایت‌شده توسط هوش مصنوعی می‌تواند مسیرهای جدیدی را به سوی حیات مصنوعی خودمونتاژشونده و تطبیق‌پذیر باز کند.

محققان همچنین پیش‌بینی می‌کنند که موارد زیر را ادغام کنند:

ریبوزیم‌ها برای فعالیت آنزیمی

ریبوزیم‌های پلیمراز برای خودتکثیری RNA

روش‌های تکثیر قالب برای تجدید DNA

این پیشرفت‌ها در نهایت می‌تواند منجر به اشکال خودمختار حیات مصنوعی شود که قادر به رشد، تولید مثل و تکامل هستند.

کاربردهای دنیای واقعی و تأثیر

این کار پیامدهای عمده‌ای هم برای زیست‌شناسی بنیادی و هم برای بیوتکنولوژی دارد:

زیست‌شناسی مصنوعی: ساخت سلول‌های حداقلی برای تحقیق، دارورسانی یا حسگرهای زیستی.

مکانیک سلولی: بررسی نحوه شکل‌دهی و حرکت سلول‌ها توسط اسکلت‌های سلولی با استفاده از مدل‌های مبتنی بر RNA.

توسعه دارو: استفاده از GUVها با اسکلت‌های سلولی RNA برای آزمایش اثرات فیزیکی داروها در محیط‌های کنترل‌شده.

فناوری نانو: توسعه نانوساختارهای خودمونتاژشونده که در داخل سیستم‌های زنده کار می‌کنند.

نتیجه‌گیری: به سوی حیات مصنوعی مبتنی بر RNA

این تحقیق نقطه عطفی در ساخت حیات مصنوعی به شمار می‌رود. این مطالعه با نشان دادن اینکه ساختارهای سلولی پیچیده و عملکردی را می‌توان تنها از RNA ساخت، که توسط طرح‌های DNA ساده رمزگذاری شده و توسط یک آنزیم نیرو می‌گیرد، مسیری را به سوی سلول‌های مصنوعی ساده‌تر، مقیاس‌پذیرتر و بالقوه تکامل‌پذیر ترسیم می‌کند.

همچنین به یک ایده عمیق اشاره می‌کند: شاید منشأ خود حیات—قبل از پروتئین‌ها و DNA—با ساختارهایی بسیار شبیه به این‌ها آغاز شده باشد. با اسکلت‌های سلولی اوریگامی RNA، ما فقط سلول‌های مصنوعی نمی‌سازیم—بلکه به گذشته قدم می‌گذاریم تا اصول اساسی سیستم‌های زنده را بازسازی کنیم.

منبع :Genetic encoding and expression of RNA origami cytoskeletons in synthetic cells