لغة برمجة للخلايا الحية

لغة جديدة تسمح للباحثين بتصميم دوائر بيولوجية غير مألوفة حيث ابتكر الباحثون في الهندسة البيولوجية لغة برمجية جديدة

لغة برمجة للخلايا الحية
لغة جديدة تسمح للباحثين بتصميم دوائر بيولوجية غير مألوفة .
ابتكر باحثون في الهندسة البيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT لغة برمجة تسمح لهم بتصميم دوائر حيويّة معقدة (الحمض النووي) تعطي وظائف جديدة إلى الخلايا الحيّة. باستخدام هذه اللغة، يمكن لأي شخص أن يكتب برنامجاً لوظيفة أو فعالية ما مطلوبة، مثل الكشف والإستجابة لظروف بيئية معيّنة ومن ثمّ يستطيعون توليد تسلسل الحمض النووي الذي من شأنه تحقيق ذلك.
يقول كريستوفر فويت، وهو أستاذ هندسة بيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: " إنها حرفياً لغة برمجة للبكتيريا، حيث يمكنك إستخدام لغة نصّية مثل برمجة الكمبيوتر. ثم تأخذ هذا النص و يتم ترجمته و تحويله إلى تسلسل للحمض النووي الذي يوضع بدوره في الخلية، ويتم تشغيله داخلها. "
وقد استخدم فويت وزملاؤه في جامعة بوسطن والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا هذه اللغة، التي نشرت بالتفصيل في عدد الأوّل من نيسان/أبريل من مجلة العلوم Science ، لبناء دوائر يمكنها الكشف عن أكثر من ثلاثة مدخلات تكون استجابتها بطرق مختلفة.
وتشمل التطبيقات المستقبلية لهذا النوع من البرمجة تصميم الخلايا البكتيرية التي يمكن أن تنتج دواء لمرض السرطان عند الكشف عن وجود ورم، أو تكوين خلايا الخميرة التي يمكن أن تعقّد عملية التخمير الخاصة بهم بحال انتجت مواد ثانوية سامّة من قبل المنتجات.
ويخطط الباحثون لعمل تصميم لواجهة المستخدم متاحة على الويب.
لا حاجة إلى الخبرة
على مدى السنوات الـ15 الماضية، صمّم البيولوجيين والمهندسين عدداً من الأجزاء الوراثية ، مثل أجهزة الإستشعار ومفاتيح الذاكرة والساعات البيولوجية التي يمكن دمجها لتعديل وظائف الخلية الحالية وإضافة خليات جديدة.
غير إن تصميم كل دائرة هو عملية شاقة تتطلب خبرة كبيرة وفي غالب الأحيان الكثير من التجربة والخطأ.
مستخدمو لغة البرمجة الجديدة لا يحتاجون الى معرفة خاصة بالهندسة الوراثية.
وتستند اللغة على فيريلوج Verilogوالذي يستخدم عادة لبرمجة رقائق الكمبيوتر. لإنشاء نسخة من اللغة التي ستعمل للخلايا، صمّم الباحثون عناصر مثل البوابات المنطقية وأجهزة الاستشعار التي يمكن تشفيرها في الحمض النووي للخلية البكتيرية .
يمكن لأجهزة الاستشعار الكشف عن مركبات مختلفة، مثل الأكسجين أو الجلوكوز، وكذلك الضوء ودرجة الحرارة والحموضة، والظروف البيئية الأخرى. كما يمكن للمستخدمين إضافة أجهزة استشعار خاصة بهم. التحدي الأكبر، كما يقول، كان تصميم 14 بوابة منطقية مستخدمة في الدوائر بحيث أنها لن تتداخل مع بعضها البعض بمجرد وضعها في بيئة معقدة من الخلية الحية.
في النسخة الحالية من لغة البرمجة، تم تحسين هذه الأجزاء الجينية لبكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli) ولكن الباحثون يعملون على توسيع اللغة من أجل سلالات أخرى من البكتيريا، بما في ذلك العصوانيّة (Bacteroides) التي توجد عادة في أمعاء الإنسان والزائفة (Pseudomonas)، التي تعيش في كثير من الأحيان في جذور النباتات، إضافة إلى فطريات الخميرة (Saccharomyces cerevisiae) .
هذا من شأنه أن يسمح للمستخدمين كتابة برنامج واحد ومن ثم تحويله للكائنات المختلفة بغية الحصول على تسلسل الحمض النووي المناسب لكل واحد.
الدوائر البيولوجية
باستخدام هذه اللغة، برمج الباحثون 60 دائرة ذات وظائف مختلفة وعملت 45 منها بشكل صحيح عند اختبارها للمرّة الأولى. تم تصميم العديد من الدوائر لقياس واحد أو أكثر من الشروط البيئية، مثل مستوى الأوكسجين أو تركيز الجلوكوز، والاستجابة تبعاً لذلك. وقد تم تصميم دائرة أخرى لتصنيف ثلاثة مداخل مختلفة ومن ثم الاستجابة على أساس أولوية كل واحد.
واحدة من الدوائر الجديدة هي أكبر دائرة بيولوجية على الإطلاق وتضم سبعة أبواب منطقية وحوالي 12،000 زوج من قواعد الحمض النووي.
ميزة أخرى لهذا التقنية هي سرعتها. ويقول فويت :" حتّى يومنا هذا، كان الأمر يستغرق سنوات لبناء هذه الأنواع من الدوائر. أمّا الآن، عليك فقط الضغط على زر وعلى الفور الحصول على تسلسل الحمض النووي لاختباره ".
يخطط الفريق للعمل على العديد من التطبيقات المختلفة باستخدام هذا النهج: البكتيريا التي يمكن ابتلاعها للمساعدة في هضم اللاكتوز، البكتيريا التي يمكن أن تعيش على جذور النباتات وانتاج المبيدات الحشرية إذا شعرت بأنّها تتعرّض للهجوم والخميرة التي يمكن هندستها للتوقّف عندما تنتج الكثير من المنتجات الثانوية السامة في مفاعل التخمير.

المصدر: http://bit.ly/1RRHBjE
ترجمة : أحمد نزار
إعداد التصميم: Mohammad Ghassani