سنتتیک بیولوژی، دستاوردهای موجود و رویای آینده
سنتتیک بیولوژی، حوزه‌ای نوظهور از علم و فناوری است که به طور گسترده می تواند به عنوان طراحی و ساخت مسیرهای زیستی جدید در میکروارگانیسم ها و طراحی مجدد سیستم های بیولوژیکی طبیعی توصیف شود.
این فناوری، روش های کشت غذای ما، آنچه می‌خوریم و محل تهیه مواد اولیه و داروهایمان را تغییر خواهد داد. در این مقاله، محصولاتی را که با استفاده از سنتتیک بیولوژی ساخته شده اند و اکنون در بازار موجود هستند انتخاب کرده، فناوری‌های اساسی آن ها را مشخص نموده و آینده‌ی مورد انتظاری را که در ده سال آتی پیش روی ماست، منعکس کرده‌ایم.
تحقیقات اولیه در حوزه طراحی سلول‌ها و ساختار فیزیکی DNA پیش از سال ۲۰۱۰ عموما به علت عدم اطمینان و ناپایداری با شکست مواجه می شد. سنتتیک بیولوژی، به واسطه پیشرفت‌های انجام شده در مهندسی متابولیک، تکامل هدایت‌شده (برنده جایزه نوبل ۲۰۱۸)، مهندسی سویه‌ها، کشف متاژنومیک، طراحی مدارهای ژنی و ویرایش ژنوم (برنده جایزه نوبل ۲۰۲۰) امکان‌پذیر گردیده است.
فهرست مطالب (کلیک کنید)
سنتتیک بیولوژی در صنایع غذایی
اولین روغن تولید شده به کمک سنتتیک بیولوژی در سال ۲۰۱۹ عرضه شد و اولین فرآورده از یک گیاه مهندسی شده است که به منابع غذایی آمریکا وارد شده‌است. روغن دانه‌ی سویا، ۹۰ درصد از روغن دانه را تشکیل می‌دهد اما این روغن غنی از لینولئیک اسید است که برای نگهداری پایدار نیست و در معرض حرارت به سرعت تجزیه می‌شود. برای کاهش هدررفت غذا، می‌توان بخشی از آن را هیدروژنه کرد اما این کار باعث ایجاد اسیدهای چرب ناسالم می‌شود. دانشمندان ژنوم سویا را به طوری ویرایش کرده‌اند تا دو ژن مربوط به اشباع سازی اسیدهای چرب را غیر فعال کند که منجر به کاهش تولید لینولئیک اسید ناپایدار می‌شود. این حذف‌ها روغنی ایجاد می کند که حاوی ۸۰ درصد اولئیک اسید است، در حالی که سویای دستکاری نشده تنها ۲۰ درصد از آن را دارد.
عده ای از دانشمندان برای توسعه برگر‌های گیاهی با طعم و تجربه‌ای شبیه به گوشت گاو، از افزودنی‌های شبیه به خون با استفاده از لگموگلوبین، که توسط مخمرهای مهندسی شده تولید می‌شود، استفاده کرده‌اند. در مقایسه با برگر‌های گوشت گاو، برای تولید این همبرگر به زمین کشاورزی نیازی نیست و کمترین گاز‌های گلخانه‌ای را تولید می‌کند. محصولات حاصله از این فناوری در بیش از ۳۰,۰۰۰ رستوران و ۱۵,۰۰۰ فروشگاه مواد غذایی در سراسر جهان در دسترس قرار دارند.
ویرایش ژنی با استفاده از نوکلئازهای مشابه فعال‌ساز رونویسی (TALENS) اجرا می‌شود که می‌توانند برنامه‌ریزی شوند تا یک قطعه DNA هدف را برش بزنند. در نتیجه خاموش کردن ژن‌ها با استفاده از RNAi به نسبت تلاش‌های پیشین راحت‌تر می‌شود. TALENS و روش‌های دیگر می‌توانند با دقت بالایی تغییرات را در ژنوم اعمال کنند اما طراحی آنها می‌تواند مشکل باشد. CRISPER/CAS9 این مشکل را برطرف کرده است. در این روش یک RNA راهنما که به سادگی طراحی می‌شود نوکلئاز CAS9 را به سمت هدفش هدایت می‌کند که به جایگزنی، حذف یا اضافه شدن DNA ژنومی می‌انجامد. محصولات ویرایش ژنی شده‌ی بسیاری تولید شده و یا در راه هستند که بازدهی و ارزش غذایی را بهبود می‌بخشند، بر آلودگی‌ها و آفات غلبه می‌کنند و در شرایط مختلفی قابلیت گسترش دارند.
گیاه خردل خوش‌طعم‌تر یا ذرت بلال پربازده‌تر، اولین محصولات ساخته شده با CRISPER/CAS9 هستند که در سال ۲۰۲۱ وارد منابع غذایی شدند. از دیگر نتایج غذایی ویرایش ژنومی می توان به گوشت، مرغ و ماهی، گوسفندهایی با پشم بلندتر، بزهایی که شیر حاوی پروتئین وی انسانی تولید می‌کنند، خوک‌های مقاوم به ویروس و مرغ‌هایی که تخم‌های بدون آلرژن تولید می‌کنند اشاره کرد.
پیشرفت‌های اخیر در مهندسی متابولیک، انتقال مسیرهای متابولیک پیچیده از منابع طبیعی به میزبان‌های تولیدی مانند مخمر را آسان‌تر کرده است. این موضوع شامل استفاده از ابزارهای محاسباتی برای طراحی مسیرهای جدید متابولیک، تکنیک‌های تغییر آنزیم، کتابخانه‌های دقیق قطعات ژنی، و ویرایش ژنوم برای تغییرمسیرهای متابولیک است. مخمرهای مهندسی شده در حال حاضر قادر به تولید مجموعه گسترده ای از مواد افزودنی غذایی مانند ویتامین ها و پروتئین شیر است.
از بیوانفورماتیک و تکنیک‌های ساخت DNA می‌توان برای انتقال مسیرهای متابولیک از گیاهان یا میکروارگانیسم ها به میزبان‌های تولیدی برای غربالگری و شناسایی داروهای بالقوه استفاده کرد. انتقال مسیرها به میزبان‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی، امکان دسترسی به مواد شیمیایی را که به مقدار کم در طبیعت وجود دارند فراهم می‌کند.
سنتتیک بیولوژی در سامانه های الکتریکی
هیالین یک لایه‌ی پلی‌ایمیدی است که از مونومرهایی با منشأ زیستی تهیه می‌شود. خانواده‌ی لایه‌های هیالین، شفاف، انعطاف‌پذیر و دارای استحکام مکانیکی بالا هستند که آنها را برای لوازم الکترونیکی انعطاف‌پذیر مناسب می‌کند (به عنوان مثال گوشی‌های هوشمند با قابلیت تا شدن، و گجت‌های الکترونیکی پوشیدنی)، که نمونه‌های آن در محصولاتی در اوایل سال ۲۰۲۱ معرفی شد. پلی‌ایمیدها که مشهورترین آنها کاپتون است به خاطر پایداری شیمیایی-دمایی و ویژگی‌های برتر مکانیکی شناخته شده‌اند، اما به طور معمول رنگی دارند که از کاربرد آنها در مواردی که شفافیت لازم است جلوگیری می‌کند. این لایه‌ها از مونومرهای دی‌آمین ساخته شده‌اند که با استفاده از ارگانیسم‌های مهندسی شده‌ای در کنار هوش مصنوعی تولید می‌شوند که با استفاده از مجموعه‌ای از ابزارهای رباتیک میلیون‌ها سویه را به صورت موازی می‌سازد. برنامه ریزی ژنتیکی مجدد سلول‌ها برای ساخت یک ماده‌ی جدید، به خودی خود سخت است. اولین موادی که توسط سنتتیک بیولوژیتولید شدند، مولکول‌های کوچک بر پایه‌ی کربنی بودند که جایگزینی پاک (مانند اتانول، پرواندیول، یا بوتاندیول) برای فرآورده‌های نفتی بودند.
مواد پروتئینی همچنین طراحی مواد جدید مانند کایمراهای الاستین-ابریشم را که مقاومت دمایی را با قابلیت کشسانی ترکیب می‌کند، ساده‌تر کرده‌اند. تلاش برای انتقال این قابلیت به پلیمرهای دیگر مانند پلی‌استرها به وسیله‌ی مهندسی ریبوزوم در حال انجام است. گذشته از این، زیست‌شناسی می‌تواند ویژگی‌های نوری یا الکتریکی یک پلیمر را با تا کردن آن به یک نانوساختار کنترل کند، به عنوان مثال، شکل ملانین تعیین می‌کند که این ماده یک محافظ ضد UV باشد یا یک لومینسانت یا یک سلول مولد نیروی نوری (مانند زنبور). سنتتیک بیولوژی محدود به کربن نیست و می‌تواند حداقل ۵۵ عنصر شامل مواد معدنی مانند عناصر خاکی کمیاب و اورانیوم را نیز بسازد. با استفاده از آنزیم‌های کاهشی و فاژهای مهندسی شده، نانومواد معدنی‌ای برای استفاده در باتری‌های فوق سبک، کاتالیست ها، سلول‌های خورشیدی و عینک‌سازی نیز تولید شده است.
سنتتیک بیولوژی در کشاورزی
کشاورزان باید به زمین‌های کشاورزی نیتروژن اضافه کنند تا به بازدهی بالا برسند، که بیشتر آن به وسیله‌ی یک عملیات صنعتی شیمیایی تولید می‌شود که یک تا دو درصد از انرژی جهانی را مصرف می‌کند. باکتری‌هایی که نیتروژن هوا را تثبیت می‌کنند به عنوان تخمیر کننده زیستی نیتروژن استفاده می‌شوند، اما با زمین‌های کشت غلات سازگار نیستند. محققان اولین کود زیستی را بر پایه باکتری ها برای کشت ذرت ساخته‌اند که با ریشه‌های ذرت ارتباط برقرار می‌کند و ژن‌های لازم برای تثبیت نیتروژن را دارد. این ژن‌ها در حالت طبیعی غیرفعال هستند بنابراین از سنتتیک بیولوژی برای فعال کردن آنها استفاده شده است. این باکتری به عنوان ماده فعال این کود مایع است که نیاز به کودهای شیمیایی را تا میزان ۱۲ کیلوگرم به ازای هر هکتار کاهش می‌دهد و بازدهی را تا ۵.۸ برابر افزایش می‌دهد. بر خلاف کودهای شیمیایی، باران، نیتروژن این کود را به آب‌های زیرزمینی نمی‌شوید و به عنوان گاز گلخانه‌ای N2O به درون اتمسفر آزاد نمی‌کند. این فرآورده زیستی در سال ۲۰۲۰ ، بر روی ۲۵۰۰۰۰ هکتار زمین کشاورزی استفاده شد که در سال ۲۰۲۱ به میلیون‌ها هکتار افزایش یافت. به طور کلی محیط زیست جوامع میکروبی‌ای در خود جای داده است که می‌توانند کاربردهای مفیدی به اکوسیستم‌ها اضافه کنند و عملکردهای مضر آنها را حذف کنند. اما از آنجایی که محیط میکروبیوم غنی است و هنوز به خوبی ویژگی‌سنجی نشده‌است، این کار می‌تواند چالش برانگیز باشد. پیشرفت در زمینه‌های میکروفلوئیدیک، دگرگونی زیستی و ویرایش ژنوم، افزودن قطعات بزرگ DNA را راحت‌تر می‌کند. اصول نظریه کنترل و ماشین‌های مجازی می‌تواند برای طراحی سیستم‌های ژنتیکی‌ای استفاده شود که برای پیاده سازی دوباره در یک چارچوب دیگر نیازی به بازسازی گسترده ندارد. با استفاده از این تکنیک‌ها، باکتری‌های مهندسی شده‌ی مرتبط با گیاهان، برای افزایش بازده محصولات کشاورزی، محافظت در برابر آفات و افزایش گستره‌ی آب و هوا و خاک مورد تحمل آنها، درحال بررسی و آزمایش هستند.
سنتتیک بیولوژی در پزشکی و داروسازی
استفاده‌ی درمانی از سلول‌های زنده‌ی مهندسی شده، به عنوان «سومین ستون علم پزشکی» توصیف شده است.
سلول‌های CAR-T با جداسازی سلول‌های T بیمار، دستکاری ژنتیکی آنها برای بیان یک گیرنده‌ی آنتی ژنی کایمری و بازگرداندن آنها به داخل بدن بیمار تولید می‌شوند که می‌توانند سالها یا حتی چند دهه پایدار باقی بمانند. با استفاده از این دارو در بیمارانی که بیماری آنها عود کرده یا مقاوم شده است، تا ۸۳ درصد بهبودی مشاهده شده است. از تابستان ۲۰۲۰، داروهایی بر این اساس وارد مرحله آزمایش و تولید شده‌اند که بیشتر آنها سرطان خون را هدف قرار می‌دهند. اما تعداد مواردی که به درمان تومور‌های سخت، اختلالات خودایمنی و عفونت‌های ویروسی می‌پردازند نیز در حال افزایش است.
ساخت درمان‌های زنده‌ی موثر، مستلزم تسلط بر مسیرهای تنظیمی سنتتیک (مدارهای ژنتیکی) است. هدف قرار دادن یک آنتی‌ژن مشخص می‌تواند منجر به سمیت سلول های غیر هدف شود و اگر آنتی‌ژن دچار جهش شود مقاومت دارویی ایجاد می‌شود. برای برطرف کردن این موارد، مدارهای ژنی طراحی شده‌اند که اطلاعاتی از چندین حسگر را در خود جای داده‌اند. گیت‌های AND خاصیت انتخابی را افزایش می‌دهند و گیت‌های OR از مقاومت جلوگیری می‌کنند. فعالیت CAR-T در فضا و زمان را می‌توان با استفاده از حسگرهای زیستی کنترل کرد. برای مواردی که بیماران دچار سندرم آزادسازی سایتوکاین می‌شوند، که یک اثر جانبی رایج است، کلیدهای امنیتی برای کاهش سریع CAR-T طراحی شده‌اند. مدارهای ژنی به تغییر میزان بیان حساس هستند که وقتی به طور تصادفی توسط لنتی ویروس ها وارد بدن می‌شوند، به این تغییرات واکنش نشان می‌دهند. این مسأله با استفاده از ویرایش ژنوم برای جای‌گذاری یک «محل فرود» خاص برطرف شده است. فراتر از سلول‌های T، مدارهای ژنتیکی و ویرایش ژنومی تکنیک‌های مهمی برای کنترل محل و زمان فعالیت سلول‌های درمانی زنده هستند. درمان‌های دارویی انسانی هم با استفاده از ویرایش ژنومی در حال توسعه هستند که شامل درمان‌های CAR-T امن‌تر و موثرتر و روش‌های دارورسانی برای ژن‌تراپی (مثلا درمان نابینایی وراثتی در کلینیکال ترایال)، سیستم شناسایی DNA برای تشخیص IN-VITRO سرطان و پاتوژن‌ها و همچنین روش های سالم تر برای پیوند اعضا می‌شود.
سنتتیک بیولوژی و آینده
انیمیشنی درباره‌ی آینده، مردم را در حال پرواز در هلی‌کوپترهای زنبوری، درخت‌هایی که به شکل خانه رشد می‌کنند و سفینه‌های فضایی زنده به شکل ماهی متصور شده است. شاید اغراق‌آمیز باشد اما می توان این روش را به عنوان راهی برای به تصویر کشیدن ظهور اجزای برگرفته از زیست‌شناسی در جامعه دید. ناسا را تصور کنید که به سنتتیک بیولوژی روی آورده تا در طی سفرهای فضایی طولانی مدت، غذا و دارو تولید کند. محصولاتی که اینجا توصیف شده‌اند، مجموعا سالانه دو میلیارد دلار فروش دارند و درآمد بخش غیردارویی بیشتر هم افزایش خواهد یافت. ما در اوج طوفان نوآوری‌های جدید هستیم و در سال ۲۰۳۰ نوشتن چنین تفسیری می‌تواند مستلزم بررسی صدها -اگر نه هزاران- محصول باشد.
با افزایش جمعیت و محصولات بیشتری که از تخمیر استخراج می‌شوند، کاربرد قند در تهیه‌ی مواد مصرفی کمتر می‌شود. در طول دهه‌های بعد، لازم است چارچوب‌های میکروبی جدیدی ایجاد شوند که کربن را از منابع جایگزین مانند ضایعات پلاستیک یا کربن دی اکسید هوا به صورت مستقیم یا اتصال غیرارگانیک به «برگ مصنوعی» تولید کنند. آب شیرین هم منبع محدودی است که در تخمیر کاربرد بسیاری دارد و مدل‌های نمک دوستی می‌توانند طراحی شوند که در رآکتورهای زیستی با آب دریا رشد می‌کنند.
بعد از سال ۲۰۳۰ ، محصولات به سمت تبدیل شدن به سیستم‌ها می‌روند، یعنی سلول‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که با هم کار کنند یا درون مواد غیرزنده یا الکترونیکی جای‌گذاری شوند. در کشاورزی، گیاه های مهندسی شده ممکن است در همکاری با باکتری ها اطلاعاتی از پهبادها دریافت کنند و در پاسخ، سیگنال هایی ارسال کنند که بیان ژن را کنترل کند. شاید همبرگرها در آینده مثل ماست و پنیر توسط مجموعه‌ای از باکتری‌ها، قارچ‌ها و سلول‌ها تولید شوند که با هم همکاری می‌کنند و مولکول‌هایی برای بهبود ارزش غذایی، طعم و عطر می‌سازند. مواد ساختمانی که ساختمان‌های زنده‌ی سنگاپور را به یاد می‌آورند، می‌توانند با سلول‌های مهندسی شده‌ی زنده تقویت شوند که عملکردهایی مانند خودترمیمی یا پاکسازی آلودگی هوا را به دنبال داشته باشند. برای حفظ ساختار درونی، ارگانیسم های مهندسی شده می‌توانند از فساد زیستی بدنه‌ی کشتی‌ها جلوگیری کنند، خوردگی لوله‌ها را کاهش دهند یا بر روی خاک اسپری شوند تا به ثبات زمین فرودگاه‌ها کمک کنند. همراه کردن سلول‌های زنده‌ی مهندسی شده با مواد الکترونیکی امکان ایجاد ارتباط بین مغز و کامپیوتر و ربات‌هایی که از حسگرهای زیستی برای جهت‌یابی یا تولید انرژی برای محیط خودشان استفاده می‌کنند را نیز فراهم می‌کند. به عمل رساندن کامل این ایده‌ها نیازمند ابزارهای طراحی است که آن قدر قابل اطمینان باشند که نیازی به روش‌های غربالگری و مدلسازی نباشد و بتوانند نتایج را در محیط‌های شبیه‌سازی شده‌ی جهان واقعی اندازه‌گیری کنند.
