دانشمندان به تولید سلول‌های مصنوعی نزدیک‌تر شدند

باشگاه خبرنگاران جوان - مولکول‌های DNA و RNA، عناصر اساسی حیات هستند که اطلاعات ژنتیکی مورد نیاز برای تولید پروتئین‌ها را حمل می‌کنند. با این حال، ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد آنها موجب شده است که به عنوان مصالح ساختمانی بیولوژیکی نیز مورد استفاده قرار گیرند. طبیعت این قابلیت را میلیارد‌ها سال پیش کشف کرده است؛ به عنوان مثال، ریبوزوم‌ها تا حدی از RNA ساخته شده‌اند.

دانشمندان برای سال‌ها توالی‌های خاصی از DNA و RNA را طراحی کرده‌اند که موجب می‌شود این مولکول‌ها به‌طور خودکار به شکل‌های از پیش تعیین‌شده آرایش یابند. این روش به نام “اوریگامی DNA یا RNA” شناخته می‌شود.

این ساختار‌های مهندسی‌شده می‌توانند بسیار پیچیده باشند؛ برای مثال، جعبه‌های نانویی ساخته‌شده از DNA که دارو‌ها را مستقیم به محل هدف منتقل می‌کنند و سپس با باز کردن یک “در مولکولی”، محتویات خود را آزاد می‌سازند. اکنون، مطالعه‌ای 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، مولکول‌های RNA را طوری طراحی کردند که به‌طور خودکار به ساختار‌هایی شبیه به اسکلت سلولی آرایش یابند. اسکلت سلولی که به‌طور طبیعی از فیلامنت‌های پروتئینی و میکروتوبول‌ها تشکیل شده است، نقشی کلیدی در حفظ شکل و پایداری سلول دارد. پژوهشگران در مقاله خود توضیح داده‌اند: ما کاشی‌های اوریگامی RNA را طراحی کردیم که پس از رونویسی، تا شده و به نانولوله‌های اوریگامی RNA با طول چندین میکرومتر تبدیل می‌شوند.

این تیم تحقیقاتی، قالب‌های DNA و آنزیم RNA پلیمراز، که برای رونویسی DNA به RNA ضروری است، را درون وزیکول‌های لیپیدی تک‌لایه‌ای بزرگ (GUVs) قرار دادند و به‌نوعی “پروتوسل” مصنوعی ایجاد کردند. برای تأمین واحد‌های سازنده RNA (نوکلئوتیدها) در این سلول‌های مصنوعی، آنها از پروتئین منفذدار غشایی باکتریایی آلفا-همولیزین (α-haemolysin) استفاده کردند. همچنین، یون‌های منیزیم (⁺Mg²) به‌عنوان عاملی برای جلوگیری از رونویسی زودهنگام عمل کردند و پروتئین منفذدار، فرآورده‌های جانبی رونویسی را از محیط سلولی حذف کرد.

به محض آغاز رونویسی، رشته‌های RNA به‌سرعت تا خورده و درون این سلول‌های مصنوعی به نانولوله‌ها تبدیل شدند. برخی از این نانولوله‌ها به طول چندین میکرومتر رسیدند که از نظر ابعاد با ساختار‌های 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، ساختار‌های حاصل به جای نانولوله، به حلقه‌هایی تبدیل شدند. برای افزایش مقیاس این ساختارها، پژوهشگران از آپتامر‌ها استفاده کردند. آپتامرها، توالی‌های خاصی از RNA هستند که قادر به اتصال به اهداف مولکولی مشخص، از جمله سایر مولکول‌های RNA هستند. با گنجاندن آپتامرها، نانولوله‌ها به شبکه‌هایی شبیه به اسکلت سلولی با ابعاد ده‌ها میکرومتر تبدیل شدند.

علاوه بر این، آپتامر‌ها در ایجاد ساختار‌های مشابه کورتکس (قشر سلولی) که به غشای لیپیدی متصل می‌شوند نیز مفید بودند. این ویژگی مشابه کورتکس‌هایی است که در سلول‌های واقعی مشاهده می‌شود. در صورت ادامه تأمین نوکلئوتیدها، شبکه‌های ساختاری آن‌قدر گسترده می‌شدند که شکل وزیکول‌های لیپیدی را تغییر می‌دادند؛ قابلیتی که یکی از ویژگی‌های اصلی اسکلت سلولی محسوب می‌شود.

یکی از مهم‌ترین مزایای اوریگامی RNA این است که این ساختار‌ها را می‌توان مستقیم درون سلول‌ها تولید کرد. زمانی که قالب‌های DNA وارد سلول شوند، یک آنزیم واحد، پلیمراز T ۷، قادر خواهد بود تعداد زیادی از محصولات RNA را از روی این قالب‌ها 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 می‌دهد: برخلاف اوریگامی DNA، اوریگامی RNA این امکان را فراهم می‌کند که سلول‌های مصنوعی، خودشان مصالح سازنده خود را تولید کنند. این موضوع می‌تواند چشم‌انداز‌های جدیدی را برای تکامل هدایت‌شده چنین سلول‌هایی ایجاد کند.

این کشف اولیه، دارای پیامد‌های گسترده‌ای است، از جمله در زمینه تحقیقات پیرامون پیری. این فناوری می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا تکامل اولیه سلول‌ها را بهتر درک کنند، سیستم‌های زیست‌تقلیدی (بیومیمتیک) توسعه دهند و سلول‌هایی با وظایف خاص مهندسی کنند.

اگرچه ایجاد سلول‌های مصنوعی یوکاریوتی کاملاً عملکردی به دلیل پیچیدگی زیاد آنها هنوز در افق دوری قرار دارد، اما مسیر ایجاد “پروتوسل‌های” پروکاریوتی ساده، اما کاربردی اکنون کوتاه‌تر شده است.

در حال حاضر، باکتری‌ها به طور گسترده برای تولید مولکول‌های زیستی استفاده می‌شوند، اما سلول‌های مصنوعی می‌توانند این فرآیند را ساده‌تر کرده و حتی تولید پروتئین را مستقیماً درون موجودات زنده امکان‌پذیر کنند، بدون اینکه مشکلات ایمونولوژیکی ناشی از استفاده از باکتری‌ها ایجاد شود.

برای مثال، چنین پروتوسل‌هایی می‌توانند پروتئین‌های ضروری مانند کلاژن و الاستین را برای حفظ عملکرد جوان ماتریکس خارج‌سلولی (ECM) تولید کنند.

نویسندگان این مطالعه پیش‌بینی می‌کنند که ساختار‌های آینده اوریگامی RNA دیگر صرفاً به عنوان داربست‌های غیرفعال عمل نخواهند کرد، بلکه با یکپارچه‌سازی ریبوزیم‌ها -مولکول‌های RNA با قابلیت فعالیت آنزیمی- به انجام وظایف پیچیده سلولی خواهند پرداخت.

گوپفریش اظهار داشت که هدف نهایی این پژوهش، ایجاد ماشین‌های مولکولی کاملاً عملکردی برای سلول‌های مصنوعی مبتنی بر RNA است.

منبع: ستاد نانو