في صميم كل أشكال الحياة توجد شفرةٌ. وتستخدم خلايانا هذه الشفرة لتحويل المعلومات الموجودة في الحمض النووي إلى بروتينات. وكذلك تفعل أشجار القيقب، وأسماك قرش المطرقة، فطر الشيتاكي. وباستثناء بعض الاختلافات الطفيفة، فإن الشفرة الوراثية عالمية.
كما أنها متكررة. إذ يمكن للحمض النووي أن يُشفّر نفس مكونات البروتينات بأكثر من طريقة. ولطالما ناقش الباحثون الغرض من هذا التكرار - أو ما إذا كان مجرد صدفة تاريخية.
وحدات بنوية جزيئية لشفرة الحياة
بفضل التقدم في الهندسة الوراثية، صار بإمكانهم الآن تجاوز مجرد الجدل. على مدار العقد الماضي، صنع العلماء ميكروبات ذات شفرات أصغر تفتقر إلى بعض هذا التكرار. وتصف دراسة جديدة - نُشرت حديثا في مجلة «ساينس» - ميكروباً يحتوي على أكثر الشفرات الوراثية سلاسةً حتى الآن.
ومن اللافت للنظر أن البكتيريا المعدلة وراثياً يمكنها العمل بشفرة مختصرة، ما يوضح أن الشفرة الوراثية الكاملة ليست ضرورية للحياة.
يقول الدكتور ويسلي روبرتسون، عالم الأحياء الاصطناعية في مختبر البيولوجيا الجزيئية التابع لمجلس البحوث الطبية في كمبردج، إنجلترا، وأحد مؤلفي الدراسة الجديدة: «الحياة لا تزال قيد العمل».
يتكون الحمض النووي لدينا من أربع وحدات بنيوية جزيئية مختلفة، تسمى القواعد: الأدينين، والثايمين، والغوانين، والسيتوزين. والسلسلة المتكونة من مئات أو آلاف هذه القواعد - المعروفة باختصار باسم A، وT، وG، وC - تشكل جيناً. وتُترجم خلايانا تسلسل القواعد في الجينات لإنتاج البروتينات.
ولإتمام عملية الترجمة، تقرأ خلايانا القواعد ثلاثاً في كل مرة، في وحدات تسمى «الكودونات». يتطابق كل «كودون» (codon) مع واحد من 20 حمضاً أمينياً مختلفاً متوفراً في الخلية. وهذه الأحماض الأمينية هي التي تربطها الخلية معاً لتكوين البروتينات.
من السمات الرئيسية للشفرة الوراثية إمكانية ترميز أكثر من كودون واحد لنفس الحمض الأميني. على سبيل المثال، تؤدي القواعد الثلاثية «TCT» إلى الحمض الأميني «سيرين». ولكن هناك خمسة كودونات أخرى تفعل الشيء نفسه، وهي: «TCC» و«TCA» و«TCG» و«AGT» و«AGC». وإجمالاً، هناك 61 كودوناً مختلفاً تنتج 20 حمضاً أمينياً. وهناك ثلاثة كودونات أخرى تخبر خلايانا عندما تصل إلى نهاية الجين. وبإجمالي 64 كودوناً، فإن الشفرة الوراثية زائدة عن الحاجة بصورة كبيرة.
شفرة متضخمة تحيّر العلماء
لقد حيّر العلماء الشفرة المتضخمة للحياة منذ أن ظهرت إلى النور في ستينات القرن الماضي. مع استثناءات قليلة، تعتمد كل الأنواع على الأرض على الكودونات الـ64 نفسها. ونظراً لأن الشفرة عالمية، فقد تكهن العلماء بوجود أمر أساسي في سر هذ العدد الكبير من الطرق لبناء البروتين.
وقبل نحو عقد من الزمان، بدأ العلماء في اختبار هذه الفكرة من خلال بناء شفرات وراثية جديدة مضغوطة. وسمحت لهم التطورات في مجال تخليق الحمض النووي ببناء جينومات من الصفر، والقضاء على بعض الكودونات الزائدة عن الحاجة للوقوف على ما إذا كانت الخلايا يمكنها البقاء على قيد الحياة بشفرة أصغر.
يقول الدكتور أكوس نيرجيس، عالم الأحياء الاصطناعية في كلية الطب بجامعة هارفارد، الذي يعمل على تقليص حجم الشفرة الوراثية: «يمكنك البدء في استكشاف ما يمكن أن تتحمله الحياة. يمكننا أخيراً اختبار هذه الشفرات الوراثية البديلة».
يعمل روبرتسون وزملاؤه في مجلس البحوث الطبية على تحقيق الهدف نفسه. يُجري كلا الفريقين تجارب على البكتيريا الإشريكية القولونية، وهي نوع من البكتيريا التي تعيش في أمعاء الإنسان، وقد خضعت لدراسات مكثفة لأكثر من قرن. وقد اختاروا الكودونات الزائدة للتخلص منها، على أمل ألا تضر بالميكروب في هذه العملية. على سبيل المثال، شرع روبرتسون وزملاؤه في تقليل الكودونات الستة للسيرين إلى اثنين فقط.
تتطلب هذه الخطط قدراً هائلاً من الهندسة. إذ يبلغ طول جينوم البكتيريا الإشريكية القولونية نحو 4 ملايين قاعدة، ويظهر كل نوع من الكودونات في آلاف الأماكن المختلفة على طوله. ولإجراء هذا العدد الكبير من التغييرات، يتعين على الباحثين بناء جينومات كاملة من الصفر.
إنجازات ناجحة
كشف فريق مجلس البحوث الطبية عن أول إنجاز ناجح له في عام 2019: نسخة من البكتيريا الإشريكية القولونية تحتوي على 61 كودوناً فقط، وأطلقوا عليها اسم «سين 61 - Syn61». وقد شجعتهم قدرتها على البقاء على قيد الحياة من دون ثلاثة كودونات على تقليص شفرتها الوراثية بصورة أكبر.
وقال الدكتور روبرتسون: «كنا متحمسين لمعرفة إلى أي مدى يمكننا تبسيط الشفرة الوراثية».
ثم شرع هو وزملاؤه في إنشاء «Syn 57»، وهي نسخة من البكتيريا الإشريكية القولونية تحتوي على 57 كودوناً فقط. ودخلوا في سباق مع الدكتور نيرجيس وزملائه في جامعة هارفارد، الذين كانوا يحاولون بالفعل بلوغ الهدف نفسه.
بالنسبة إلى «Syn 61»، عدّل الباحثون أكثر من 18 ألف كودون في جينوم البكتيريا الإشريكية القولونية. ولكي يتمكنوا من إنشاء «Syn 57»، كان عليهم تغيير أكثر من 100 ألف كودون. اختبروا هذه التغييرات عن طريق صنع أجزاء صغيرة من الحمض النووي ومراقبة مدى قدرة الميكروبات على قراءتها.
ولم تسبب بعض التغييرات أي مشاكل، لكن تغييرات أخرى سببت ضرراً مدمراً. على سبيل المثال، تمتلك البكتيريا جينات معينة تتداخل، وقد يؤدي تغيير الكودون في أحدها إلى تحطيم تسلسل الآخر عن طريق الخطأ.
وبلمحة خاطفة، اكتشف الباحثون كيفية إصلاح الحمض النووي المُعدّل. وأخيراً، أعلن الباحثون أنهم نجحوا في ذلك، حيث أنشأوا «Syn 57».
يقول الدكتور يوناتان شيملا، عالم الأحياء الاصطناعية في «معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا»، الذي لم يُشارك في الدراسة: «إنه لأمر مذهل أن يتمكنوا من تحقيق هذا الهدف. إنها رحلة تتطلب جهداً تقنياً كبيراً».
لا شك أن «Syn 57» لا يزال على قيد الحياة، لكن بالكاد. عادة ما تستغرق البكتيريا الإشريكية القولونية ساعة واحدة لمضاعفة أعدادها؛ في حين يحتاج «Syn 57» إلى أربع ساعات كاملة. وقال الدكتور شيملا: «إنه ضعيف للغاية».
يباشر الدكتور روبرتسون وزملاؤه الآن العمل على تحسين «Syn 57» لمعرفة ما إذا كان بوسعهم الإسراع من نموه. وإذا نجحوا في ذلك، فربما يتمكن علماء آخرون من هندسته للقيام بأعمال مفيدة لا تستطيع الميكروبات العادية القيام بها.
شفرات مبرمجة لصنع الأدوية
جنباً إلى جنب مع الأحماض الأمينية العشرين التي تستخدمها خلايانا لإنتاج البروتينات، يمكن للكيميائيين خلق مئات الأحماض الأمينية الأخرى. قد يكون من الممكن إعادة برمجة «Syn 57»، بحيث تُشفّر الكودونات السبعة المفقودة أحماضاً أمينية غير طبيعية، ما من شأنه أن يُمكّن البكتيريا من صنع أنواع جديدة من الأدوية أو غير ذلك من الجزيئات المفيدة.
قد يساعد «Syn 57» العلماء أيضاً على معالجة المخاطر المحتملة التي قد تنشأ في حالة إطلاق الميكروبات المُعدّلة في البيئة. وقد حقق علماء الأحياء المجهرية منذ فترة طويلة في كيفية تناول الميكروبات للبلاستيك أو اكتشاف الملوثات في الأرض.
كما تسمح كائنات حية مثل «Syn 57» للعلماء بحل لغز الشفرة الوراثية. ففي عام 1968، رسم الدكتور فرانسيس كريك، عالم الأحياء الحائز على جائزة نوبل، فرضيتين متعارضتين لتفسير سبب كونها زائدة عن الحاجة وعالمية في آن واحد.
كان أحد الاحتمالات المطروحة أن الشفرة الوراثية التي تتألف من 64 كودوناً تحظى ببعض المزايا الخفية على أي ترتيب آخر. وعندما تطورت على الأرض في بداياتها المبكرة، فضّلها الانتقاء الطبيعي حتى تفوقت على جميع الترتيبات الأخرى.
لكن الدكتور كريك كان يميل إلى تفسير ثانٍ: الشفرة الوراثية كانت نتيجة للصدفة إلى حد كبير. وقد تكهن بأن الطفرات تسببت في تشفير بعض الكودونات لأحماض أمينية معينة. ومع توسع أشكال الحياة المبكرة في الشفرة الوراثية، فإنها كانت قادرة على بناء بروتينات أكثر تعقيداً. غير أن التطور ربط الكودونات بالأحماض الأمينية بصفة عشوائية.
بمجرد أن تصبح البروتينات كبيرة ومعقدة، لا يمكن للشفرة الوراثية أن تتطور أكثر من ذلك؛ وأي طفرة قد تتغير سوف تنتج الكثير من البروتينات المعيبة. وقد وصف الدكتور كريك هذا السيناريو بأنه «حادث مُجمّد».
وقال الدكتور روبرتسون إن قدرة «Syn 57» على البقاء على قيد الحياة من دون سبعة كودونات قادته إلى تفضيل نظرية كريك عن الحوادث المجمدة.
• خدمة «نيويورك تايمز».
