مصوب الحمض النووي مولود من البكتيريا

ايهاب محمد زايد-مصر

 

يجب ان تعرف ان هذه التقنية الحيوية اسرع تقنيه اخذت نوبل في الكيمياء من خلال صاحبة الصورة وشريكتها لعام ٢٠٢٠

 

أظهر الاهتمام بأداة قوية لتصويب الحمض النووي تسمى CRISPR أن البكتيريا أكثر تعقيدًا بكثير مما يتخيله أي شخص. قد تستخدم الميكروبات مثل الإشريكية القولونية كريسبر كسلاح في كفاحها ضد الفيروسات منذ ملايين السنين.

 

 

في أحد أمسيات نوفمبر من العام الماضي ، ارتدت جينيفر دودنا فستان سهرة أسود أنيق وتوجهت إلى Hangar One ، وهو مبنى في مركز أبحاث Ames التابع لناسا والذي تم تشييده في عام 1932 لإيواء الممرات.

تحت أقواس الحظيرة التي تلوح في الأفق ، اختلطت دودنا مع مشاهير مثل بنديكت كومبرباتش وكاميرون دياز وجون هام قبل استلامها جائزة الاختراق في علوم الحياة لعام 2015 ، وهي جائزة برعاية مارك زوكربيرج ومليارديرات آخرين في مجال التكنولوجيا.

 

 

تلقت دودنا ، عالمة الكيمياء الحيوية بجامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، ومعاونتها ، إيمانويل شاربينتييه من مركز هيلمهولتز لأبحاث العدوى في ألمانيا ، 3 ملايين دولار لاختراعهما أداة يحتمل أن تكون ثورية لتحرير الحمض النووي المعروفة باسم كريسبر.

لم تكن دودنا فخرية ذات شعر رمادي يتم الاحتفال بها لعملها الذي عادت إليه عندما سيطرت الدراجين على السماء. في عام 2012 فقط ، قدم دودنا وشاربنتييه وزملاؤهم أول عرض لإمكانيات كريسبر. لقد صنعوا جزيئات يمكن أن تدخل الميكروب وتقص بدقة الحمض النووي الخاص به في مكان يختاره الباحثون. في يناير 2013 ، ذهب العلماء إلى أبعد من ذلك: قطعوا قطعة معينة من الحمض النووي في الخلايا البشرية واستبدلوها بأخرى.

 

 

في الشهر نفسه ، أبلغت فرق منفصلة من العلماء في جامعة هارفارد ومعهد برود عن نجاح مماثل مع أداة تحرير الجينات. بدأ التدافع العلمي ، وخلال العامين الماضيين فقط ، أجرى الباحثون مئات التجارب على تقنية كريسبر. تشير نتائجهم إلى أن هذه التقنية قد تغير بشكل أساسي الطب والزراعة.

قام بعض العلماء بإصلاح الحمض النووي المعيب في الفئران ، على سبيل المثال ، وعلاجهم من الاضطرابات الوراثية. استخدم علماء النبات تقنية كريسبر لتعديل الجينات في المحاصيل ، مما أثار الآمال في قدرتهم على هندسة إمدادات غذائية أفضل.

 

 

 

يحاول بعض الباحثين إعادة كتابة جينومات الأفيال ، بهدف نهائي هو إعادة تكوين ماموث صوفي. كتب كل من Motoko Araki و Tetsuya Ishii من جامعة Hokkaido في اليابان في مجلة الإنجاب وعلم الغدد الصماء العام الماضي أن الأطباء سيكونون قادرين على استخدام كريسبر لتغيير جينات الأجنة البشرية “في المستقبل القريب”.

تلقت جينيفر دودنا جائزة الاختراق البالغة 3 ملايين دولار عن عملها باستخدام تقنية كريسبر لتحرير الحمض النووي.

 

 

بفضل سرعة أبحاث كريسبر ، جاءت الجوائز بسرعة. وصفت MIT Technology Review العام الماضي كريسبر بأنها “أكبر اكتشاف للتكنولوجيا الحيوية في القرن.” جائزة الاختراق هي مجرد واحدة من عدة جوائز بارزة فازت بها دودنا في الأشهر الأخيرة عن عملها في تقنية كريسبر. ذكرت الإذاعة الوطنية العامة مؤخرًا أنها تهمس باحتمال حصولها على جائزة نوبل في المستقبل.

حتى صناعة المستحضرات الصيدلانية ، التي غالبًا ما تكون بطيئة في احتضان التطورات العلمية الجديدة ، تسارع إلى المشاركة في هذا المجال. الشركات الجديدة التي تعمل على تطوير الأدوية القائمة على تقنية كريسبر تفتح أبوابها. في يناير ، أعلنت شركة الأدوية العملاقة Novartis أنها ستستخدم تقنية CRISPR من Doudna في أبحاثها في علاجات السرطان.

 

 

وتخطط لتعديل جينات الخلايا المناعية حتى تهاجم الأورام. ولكن وسط كل احتفالات التعادل السوداء وإيداعات براءات الاختراع ، من السهل التغاضي عن أهم حقيقة حول تقنية كريسبر: لم يخترعها أحد بالفعل.

لم ينتزع دودنا وباحثون آخرون الجزيئات التي يستخدمونها لتحرير الجينات من الهواء الرقيق. في الواقع ، عثروا على جزيئات كريسبر في الطبيعة. كانت الميكروبات تستخدمها لتعديل الحمض النووي الخاص بها لملايين السنين ، واليوم يواصلون القيام بذلك في جميع أنحاء الكوكب ، من قاع البحر إلى تجاويف أجسادنا.

 

 

لقد بدأنا بالكاد في فهم كيفية عمل كريسبر في العالم الطبيعي. تستخدمه الميكروبات كنظام مناعي متطور ، مما يسمح لهم بتعلم التعرف على أعدائهم. يكتشف العلماء الآن أن الميكروبات تستخدم تقنية كريسبر في وظائف أخرى أيضًا. يطرح التاريخ الطبيعي لـ CRISPR العديد من الأسئلة للعلماء ، والتي ليس لديهم إجابات جيدة عنها حتى الآن.

لكنها تحمل أيضًا وعدًا كبيرًا. استخدمت دودنا وزملاؤها نوعًا واحدًا من تقنية كريسبر ، لكن العلماء يجدون مجموعة واسعة من الأنواع المختلفة. قد يؤدي استغلال هذا التنوع إلى تقنية تحرير جيني أكثر فاعلية ، أو يفتح الطريق أمام تطبيقات لم يفكر فيها أحد بعد.

قال دودنا: “يمكنك أن تتخيل أن العديد من المعامل – بما في ذلك معاملنا – منشغلة بالبحث عن المتغيرات الأخرى وكيفية عملها”. “ابقي على اتصال.”

 

 

لم يكن لدى العلماء الذين اكتشفوا تقنية كريسبر أي وسيلة لمعرفة أنهم اكتشفوا شيئًا ثوريًا للغاية. لم يفهموا حتى ما وجدوه. في عام 1987 ، نشر يوشيزومي إيشينو Yoshizumi Ishino وزملاؤه في جامعة أوساكا في اليابان تسلسل جين يسمى iap ينتمي إلى ميكروب الأمعاء الإشريكية القولونية.

لفهم كيفية عمل الجين بشكل أفضل ، قام العلماء أيضًا بترتيب بعض الحمض النووي المحيط به. كانوا يأملون في العثور على نقاط حيث هبطت البروتينات ، وتشغيل iap وإيقافه. لكن بدلاً من التبديل ، وجد العلماء شيئًا غير مفهوم.

“إذا كنت قد أكلت الزبادي أو الجبن ، فمن المحتمل أنك أكلت خلايا كريسبر.”

بالقرب من جين iap توجد خمسة أجزاء متطابقة من الحمض النووي. يتكون الحمض النووي من لبنات بناء تسمى القواعد ، وتتكون الأجزاء الخمسة من نفس القواعد الـ 29. تم فصل هذه التسلسلات المتكررة عن بعضها البعض بواسطة 32 كتلة قاعدية من الحمض النووي ، تسمى الفواصل. على عكس تسلسلات التكرار ، كان لكل من الفواصل تسلسل فريد.

 

 

هذه الشطيرة الجينية الغريبة لا تشبه أي شيء وجده علماء الأحياء من قبل. عندما نشر الباحثون اليابانيون نتائجهم ، لم يكن بإمكانهم سوى تجاهل ذلك. وكتبوا: “إن الأهمية البيولوجية لهذه التسلسلات غير معروفة”.

كان من الصعب في ذلك الوقت معرفة ما إذا كانت التسلسلات فريدة من نوعها بالنسبة للإشريكية القولونية ، لأن علماء الأحياء المجهرية لم يكن لديهم سوى تقنيات بدائية لفك تشفير الحمض النووي.

لكن في التسعينيات ، سمحت لهم التطورات التكنولوجية بتسريع تسلسلها. بحلول نهاية العقد ، يمكن لعلماء الأحياء الدقيقة جمع مياه البحر أو التربة وتسلسل جزء كبير من الحمض النووي في العينة بسرعة. كشفت هذه التقنية – المسماة metagenomics – عن تلك الشطائر الجينية الغريبة في عدد مذهل من أنواع الميكروبات.

أصبحت شائعة لدرجة أن العلماء احتاجوا إلى اسم للتحدث عنها ، حتى لو كانوا لا يزالون لا يعرفون الغرض من التسلسل. في عام 2002 ، أطلق رود يانسن وزملاؤه من جامعة أوتريخت في هولندا وزملاؤه على هذه السندويشات “تكرارات متكررة قصيرة متناظرة ومتباعدة بانتظام” – CRISPR باختصار.

لاحظ فريق يانسن شيئًا آخر حول تسلسلات كريسبر: كانت دائمًا مصحوبة بمجموعة من الجينات القريبة. أطلقوا على هذه الجينات جينات كاس ، للجينات المرتبطة بكريسبر. قامت الجينات بترميز الإنزيمات التي يمكن أن تقطع الحمض النووي ، لكن لا أحد يستطيع أن يقول لماذا فعلوا ذلك ، أو لماذا يجلسون دائمًا بجانب تسلسل كريسبر.

 

 

بعد ثلاث سنوات ، لاحظت ثلاثة فرق من العلماء بشكل مستقل شيئًا غريبًا حول فواصل كريسبر. لقد بدوا كثيرًا مثل الحمض النووي للفيروسات. قال يوجين كونين: “ثم تم النقر على كل شيء”.

في ذلك الوقت ، كان كونين ، عالِم الأحياء التطورية في المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية في بيثيسدا بولاية ماريلاند ، محيرًا بشأن جينات كريسبر وكاس لبضع سنوات. بمجرد أن علم باكتشاف أجزاء من الحمض النووي للفيروس في فواصل كريسبر ، أدرك أن الميكروبات تستخدم تقنية كريسبر كسلاح ضد الفيروسات.

عرف كونين أن الميكروبات ليست ضحايا سلبيين لهجمات الفيروسات. لديهم عدة خطوط دفاع. يعتقد كونين أن إنزيمات كريسبر وكاس توفر واحدًا آخر. في فرضية كونين ، تستخدم البكتيريا إنزيمات كاس لانتزاع أجزاء من الحمض النووي الفيروسي. ثم يقومون بإدخال أجزاء الفيروس في تسلسلات كريسبر الخاصة بهم. في وقت لاحق ، عندما يأتي فيروس آخر ، يمكن للبكتيريا استخدام تسلسل كريسبر كورقة غش للتعرف على الغازي.

 

 

لم يعرف العلماء ما يكفي عن وظيفة إنزيمات كريسبر وكاس لكونين لعمل فرضية مفصلة. لكن تفكيره كان استفزازيًا بدرجة كافية لقيام عالم الأحياء الدقيقة المسمى رودولف بارانجو باختباره. بالنسبة لبارانجو ، لم تكن فكرة كونين رائعة فحسب ، بل كانت صفقة ضخمة لصاحب العمل في ذلك الوقت ، صانع الزبادي Danisco.

اعتمد دانيسكو على البكتيريا لتحويل الحليب إلى زبادي ، وفي بعض الأحيان ستفقد ثقافات كاملة لتفشي الفيروسات القاتلة للبكتيريا. يقترح كونين الآن أن البكتيريا يمكنها استخدام كريسبر كسلاح ضد هؤلاء الأعداء.

 

 

لاختبار فرضية كونين ، أصاب بارانجو وزملاؤه بكتيريا Streptococcus thermophilus المخمرة للحليب بسلالتين من الفيروسات. قتلت الفيروسات العديد من البكتيريا ، لكن بعضها نجا. عندما تكاثرت تلك البكتيريا المقاومة ، تبين أن نسلها مقاوم أيضًا. حدث بعض التغيير الجيني. وجد بارانجو وزملاؤه أن البكتيريا حشوا شظايا الحمض النووي من الفيروسين في المباعدة الخاصة بهم. عندما قطع العلماء الفواصل الجديدة ، فقدت البكتيريا مقاومتها.

قال بارانجو ، وهو الآن أستاذ مشارك في جامعة ولاية كارولينا الشمالية ، إن هذا الاكتشاف دفع العديد من الشركات المصنعة إلى اختيار تسلسل كريسبر المخصص في ثقافاتهم ، حتى تتمكن البكتيريا من مقاومة تفشي الفيروسات. قال: “إذا كنت قد أكلت الزبادي أو الجبن ، فمن المحتمل أنك أكلت خلايا كريسبر”.

قص و لصق

عندما بدأت تقنية كريسبر بالتخلي عن أسرارها ، شعرت دودنا بالفضول. لقد صنعت بالفعل اسمًا لنفسها كخبير في الحمض النووي الريبي ، وهي ابنة عم وحيد الجديلة للحمض النووي. في الأصل ، رأى العلماء أن الوظيفة الرئيسية للحمض النووي الريبي هي رسول. تقوم الخلايا بعمل نسخة من الجين باستخدام الحمض النووي الريبي ، ثم تستخدم هذا المرسال كقالب لبناء البروتين. لكن دودنا وعلماء آخرين ألقوا الضوء على العديد من الوظائف الأخرى التي يمكن أن يقوم بها الحمض النووي الريبي ، مثل العمل كمستشعرات أو التحكم في نشاط الجينات.

 

 

في عام 2007 ، انضم Blake Wiedenheft إلى مختبر Doudna كباحث ما بعد الدكتوراه ، حريصًا على دراسة بنية إنزيمات Cas لفهم كيفية عملها. وافقت دودنا على الخطة – ليس لأنها اعتقدت أن تقنية كريسبر لها أي قيمة عملية ، ولكن لمجرد أنها اعتقدت أن الكيمياء قد تكون رائعة. قالت: “أنت لا تحاول الوصول إلى هدف معين ، باستثناء الفهم”.

عندما اكتشف Wiedenheft ، Doudna وزملاؤهم بنية إنزيمات Cas ، بدأوا في رؤية كيف تعمل الجزيئات معًا كنظام. عندما يغزو الفيروس ميكروبًا ، تلتقط الخلية المضيفة القليل من المادة الوراثية للفيروس ، وتقطع الحمض النووي الخاص بها ، وتدخل قطعة الحمض النووي للفيروس في فاصل.

عندما تمتلئ منطقة كريسبر بالحمض النووي للفيروس ، فإنها تصبح معرضًا جزيئيًا مطلوبًا للغاية ، يمثل الأعداء الذين واجههم الميكروب. يمكن للميكروب بعد ذلك استخدام هذا الحمض النووي الفيروسي لتحويل إنزيمات كاس إلى أسلحة دقيقة التوجيه. ينسخ الميكروب المادة الوراثية في كل فاصل إلى جزيء RNA.

 

 

ثم تلتقط إنزيمات كاس أحد جزيئات الحمض النووي الريبي وتضعه في مهده. معًا ، ينجرف الحمض النووي الريبي الفيروسي وإنزيمات كاس عبر الخلية. إذا واجهوا مادة وراثية من فيروس يطابق CRISPR RNA ، فإن RNA يلتصق بإحكام. تقوم إنزيمات كاس بعد ذلك بقطع الحمض النووي إلى قسمين ، مما يمنع الفيروس من التكاثر.

يمكن أن تساعد كريسبر وكاس 9 الميكروبات على محاربة الفيروسات وكيف يمكن للباحثين استخدام هذا النظام لتحرير الجينات البشرية.

مع ظهور بيولوجيا كريسبر ، بدأت في جعل الدفاعات الميكروبية الأخرى تبدو بدائية تمامًا. باستخدام كريسبر ، يمكن للميكروبات ، في الواقع ، برمجة إنزيماتها للبحث عن أي تسلسل قصير من الحمض النووي ومهاجمته حصريًا.

قال دودنا: “بمجرد أن فهمنا الأمر على أنه إنزيم قابل للبرمجة لقطع الحمض النووي ، كان هناك تحول مثير للاهتمام”. أدركت هي وزملاؤها أنه قد يكون هناك استخدام عملي للغاية لـ CRISPR. تذكر دودنا التفكير ، “يا إلهي ، قد تكون هذه أداة.”

 

 

لم تكن هذه هي المرة الأولى التي يستعير فيها عالم حيلة من الميكروبات لبناء أداة. تدافع بعض الميكروبات عن نفسها من الغزو باستخدام جزيئات تُعرف باسم إنزيمات التقييد. تقطع الإنزيمات أي DNA غير محمي بواسطة الدروع الجزيئية. تحمي الميكروبات جيناتها ، ثم تهاجم الحمض النووي العاري للفيروسات والطفيليات الأخرى. في سبعينيات القرن الماضي ، اكتشف علماء الأحياء الجزيئية كيفية استخدام إنزيمات التقييد لقطع الحمض النووي ، مما أدى إلى ولادة صناعة التكنولوجيا الحيوية الحديثة.

في العقود التي تلت ذلك ، تحسنت الهندسة الوراثية بشكل كبير ، لكنها لم تستطع الهروب من عيب أساسي: لم تتطور إنزيمات التقييد لإجراء عمليات قطع دقيقة – فقط لتمزيق الحمض النووي الغريب. نتيجة لذلك ، لم يكن للعلماء الذين استخدموا إنزيمات التقييد في التكنولوجيا الحيوية سيطرة تذكر على المكان الذي تقطع فيه إنزيماتهم الحمض النووي.

 

 

أدركت Doudna وزملاؤها أن نظام CRISPR-Cas قد تطور بالفعل لممارسة هذا النوع من التحكم.

لإنشاء أداة لقطع الحمض النووي ، اختارت Doudna وزملاؤها نظام CRISPR-Cas من Streptococcus pyogenes ، البكتيريا التي تسبب التهاب الحلق. لقد كان نظامًا فهموه جيدًا بالفعل ، بعد أن توصلوا إلى وظيفة إنزيمه الرئيسي ، المسمى Cas9.

توصلت دودنا وزملاؤها إلى كيفية إمداد Cas9 بجزيء RNA يطابق تسلسل الحمض النووي الذي أرادوا قطعه. ثم قام جزيء الحمض النووي الريبي بتوجيه Cas9 على طول الحمض النووي إلى الموقع المستهدف ، ثم قام الإنزيم بعمل شق فيه.

باستخدام اثنين من إنزيمات Cas9 ، يمكن للعلماء عمل زوج من القصاصات ، وقطع أي جزء من الحمض النووي الذي يريدونه. يمكنهم بعد ذلك إقناع خلية بغرز جين جديد في الفضاء المفتوح. وهكذا ابتكرت دودنا وزملاؤها نسخة بيولوجية من البحث والاستبدال – وهي نسخة يمكن أن تعمل فعليًا في أي نوع اختاروا العمل عليه.

على الرغم من أهمية هذه النتائج ، كان علماء الأحياء الدقيقة يصارعون أيضًا مع تداعيات أكثر عمقًا لتقنية كريسبر. أظهر لهم أن الميكروبات لديها قدرات لم يتخيلها أحد من قبل.

قبل اكتشاف تقنية كريسبر ، كانت جميع الدفاعات التي من المعروف أن الميكروبات تستخدمها ضد الفيروسات كانت استراتيجيات بسيطة ذات مقاس واحد يناسب الجميع. إنزيمات التقييد ، على سبيل المثال ، سوف تدمر أي قطعة من الحمض النووي غير المحمي. يشير العلماء إلى هذا النمط من الدفاع على أنه حصانة فطرية. لدينا مناعة فطرية أيضًا ، ولكن علاوة على ذلك ، نستخدم أيضًا نظامًا مناعيًا مختلفًا تمامًا لمحاربة مسببات الأمراض: نظام يتعلم عن أعدائنا.

يتم تنظيم هذا الجهاز المناعي التكيفي المزعوم حول مجموعة خاصة من الخلايا المناعية التي تبتلع مسببات الأمراض ثم تقدم شظايا منها ، تسمى المستضدات ، إلى الخلايا المناعية الأخرى. إذا ارتبطت الخلية المناعية بإحكام بمستضد ، تتكاثر الخلية. تضيف عملية الانقسام بعض التغييرات العشوائية إلى جينات مستقبلات مستضد الخلية. في حالات قليلة ، تغير التغييرات المستقبل بطريقة تجعله يمسك بالمستضد بشكل أكثر إحكامًا. ثم تتكاثر الخلايا المناعية ذات المستقبلات المحسنة أكثر.

 

 

ينتج عن هذه الدورة جيش من الخلايا المناعية ذات المستقبلات التي يمكنها الارتباط بسرعة وبشكل محكم بنوع معين من مسببات الأمراض ، مما يجعلها قتلة دقيقة. تنتج الخلايا المناعية الأخرى أجسامًا مضادة يمكنها أيضًا الاستيلاء على المستضدات وتساعد في قتل العامل الممرض. يستغرق الجهاز المناعي التكيفي بضعة أيام ليتعلم كيفية التعرف على فيروس الحصبة ، على سبيل المثال ، والقضاء عليه. ولكن بمجرد انتهاء العدوى ، يمكننا التمسك بهذه الذكريات المناعية. تبقى بعض الخلايا المناعية المصممة خصيصًا لمرض الحصبة معنا طوال حياتنا ، وتكون جاهزة للهجوم مرة أخرى.

أدرك علماء الأحياء الدقيقة أن كريسبر هو أيضًا جهاز مناعي تكيفي. إنه يتيح للميكروبات التعرف على بصمات الفيروسات الجديدة وتذكرها. وبينما نحتاج إلى شبكة معقدة من أنواع مختلفة من الخلايا والإشارات لتعلم التعرف على مسببات الأمراض ، فإن الميكروب أحادي الخلية لديه كل المعدات اللازمة لتعلم نفس الدرس بمفرده.

نوع جديد من التطور

يعد كريسبر جهازًا مناعيًا تكيفيًا مثيرًا للإعجاب لسبب آخر: يمكن توريث دروسه. لا يستطيع الناس نقل جينات الأجسام المضادة إلى أطفالهم لأن الخلايا المناعية فقط هي التي تنتجها. لا توجد طريقة لتصل هذه المعلومات إلى البويضات أو الحيوانات المنوية. نتيجة لذلك ، يتعين على الأطفال البدء في التعرف على أعدائهم غير المرئيين إلى حد كبير من الصفر.

تقنية كريسبر مختلفة. نظرًا لأن الميكروبات كائنات وحيدة الخلية ، فإن الحمض النووي الذي تعدله لمحاربة الفيروسات هو نفس الحمض النووي الذي تنقله إلى أحفادها. بعبارة أخرى ، تجارب أن هذه الكائنات الحية قد غيرت جيناتها ، وأن هذا التغيير موروث من قبل الأجيال القادمة.

 

 

بالنسبة لطلاب تاريخ علم الأحياء ، فإن هذا النوع من الوراثة يعكس نظرية فقدت مصداقيتها إلى حد كبير روج لها عالم الطبيعة جان بابتيست لامارك في أوائل القرن التاسع عشر. دافع لامارك عن وراثة السمات المكتسبة. لتوضيح نظريته ، جعل القراء يتخيلون زرافة تكتسب رقبة طويلة من خلال السعي للوصول إلى أغصان عالية لتتغذى عليها. كان يعتقد أن سائلًا عصبيًا يمتد رقبته ، مما يسهل على الزرافة الوصول إلى الأغصان. ثم مررت عنقها المطول إلى نسلها.

بدا أن ظهور علم الوراثة يسحق هذه الفكرة. لا يبدو أن هناك أي طريقة للتجارب لتغيير الجينات التي تنقلها الكائنات الحية إلى نسلها. لكن كريسبر كشفت أن الميكروبات تعيد كتابة حمضها النووي بمعلومات عن أعدائها – المعلومات التي أظهرها بارانجو يمكن أن تحدث فرقًا بين الحياة والموت لأحفادها.

هل يعني هذا أن كريسبر تلبي متطلبات وراثة لامارك؟ قال كونين: “في رأيي المتواضع ، هذا صحيح”.

لكن كيف طورت الميكروبات هذه القدرات؟ منذ أن بدأ علماء الأحياء الدقيقة في اكتشاف أنظمة CRISPR-Cas في الأنواع المختلفة ، كان كونين وزملاؤه يعيدون بناء تطور الأنظمة. تستخدم أنظمة CRISPR-Cas عددًا هائلاً من الإنزيمات المختلفة ، ولكن جميعها لها إنزيم واحد مشترك يسمى Cas1. تتمثل وظيفة هذا الإنزيم الشامل في انتزاع الحمض النووي للفيروس الوارد وإدخاله في فواصل كريسبر. اكتشف كونين وزملاؤه مؤخرًا ما قد يكون مصدر إنزيمات Cas1.

 

 

تحمل الميكروبات ، جنبًا إلى جنب مع جيناتها ، امتدادات من الحمض النووي تسمى العناصر المتحركة التي تعمل مثل الطفيليات. تحتوي العناصر المتحركة على جينات للإنزيمات الموجودة فقط لعمل نسخ جديدة من الحمض النووي الخاص بها ، وقطع جينوم مضيفها ، وإدخال النسخة الجديدة. في بعض الأحيان ، يمكن أن تقفز العناصر المتنقلة من مضيف إلى آخر ، إما عن طريق ربط رحلة بفيروس أو بوسائل أخرى ، والانتشار عبر جينوم مضيفها الجديد.

اكتشف كونين وزملاؤه أن مجموعة واحدة من العناصر المتحركة ، تسمى كاسوزونات ، تصنع إنزيمات متطابقة إلى حد كبير مع Cas1. في بحث جديد في مجلة Nature Reviews Genetics ، يجادل كل من Koonin و Mart Krupovic من معهد Pasteur في باريس بأن نظام CRISPR-Cas بدأ عندما حولت الطفرات الكاربوزونات من أعداء إلى أصدقاء. أصبحت إنزيمات قطع الحمض النووي الخاصة بهم مستأنسة ، واضطلعت بوظيفة جديدة: تخزين الحمض النووي للفيروس كجزء من الدفاع المناعي.

بينما قد يكون لـ CRISPR أصل واحد ، فقد ازدهرت في تنوع هائل من الجزيئات. كونين مقتنع بأن الفيروسات مسؤولة عن ذلك. بمجرد أن واجهوا دفاع كريسبر القوي والدقيق ، طورت الفيروسات عمليات التهرب. غيرت جيناتهم تسلسلها بحيث لا تتمكن كريسبر من الالتصاق بها بسهولة. كما طورت الفيروسات أيضًا جزيئات يمكنها منع إنزيمات كاس. استجابت الميكروبات بالتطور بدورها. لقد اكتسبوا استراتيجيات جديدة لاستخدام تقنية كريسبر التي لا تستطيع الفيروسات مكافحتها. بعبارة أخرى ، على مدى آلاف السنين ، تصرف التطور كمختبر طبيعي ، حيث توصل إلى وصفات جديدة لتغيير الحمض النووي.

 

 

الحقيقة المخفية

بالنسبة إلى كونستانتين سيفرينوف ، الذي يحمل تعيينات مشتركة في جامعة روتجرز ومعهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا في روسيا ، قد يتبين أن هذه التفسيرات لـ CRISPR صحيحة ، لكنها بالكاد تبدأ في تفسير لغزها الكامل. في الواقع ، يتساءل سيفرينوف عما إذا كانت مكافحة الفيروسات هي الوظيفة الرئيسية لكريسبر. وقال: “قد تكون وظيفة المناعة بمثابة هراء”.

تنبع شكوك سيفرينوف من بحثه عن المباعدات للإشريكية القولونية. قام هو وباحثون آخرون بتجميع قاعدة بيانات لعشرات الآلاف من فواصل الإشريكية القولونية ، لكن حفنة منها فقط تتطابق مع أي فيروس معروف بأنه يصيب بكتيريا الإشريكية القولونية. يجادل سيفيرينوف بأنه لا يمكنك إلقاء اللوم على هذا النقص في جهلنا بالإشريكية القولونية أو فيروساتها ، لأنهم كانوا من عمل البيولوجيا الجزيئية لمدة قرن. قال: “هذا نوع من المحير للعقل”.

من الممكن أن تكون الفواصل ناتجة عن فيروسات ، لكنها فيروسات اختفت منذ آلاف السنين. استمرت الميكروبات في التمسك بالفواصل حتى عندما لم يعد عليها مواجهة هؤلاء الأعداء. بدلاً من ذلك ، استخدموا كريسبر في مهام أخرى. يفترض سيفرينوف أن تسلسل كريسبر قد يعمل كنوع من الشفرة الوراثية الشريطية. يمكن للبكتيريا التي تشترك في نفس الرمز الشريطي أن تتعرف على بعضها البعض كأقارب وتتعاون ، بينما تحارب مجموعات غير مرتبطة من البكتيريا.

 

 

لكن سيفيرينوف لن يتفاجأ إذا قامت كريسبر أيضًا بوظائف أخرى. أظهرت التجارب الحديثة أن بعض البكتيريا تستخدم تقنية كريسبر لإسكات جيناتها بدلاً من البحث عن جينات الأعداء. من خلال إسكات جيناتها ، تتوقف البكتيريا عن صنع جزيئات على سطحها يمكن لجهازنا المناعي اكتشافها بسهولة. بدون نظام الإخفاء CRISPR هذا ، ستفجر البكتيريا غطاءها وتقتل.

قال سيفرينوف: “هذا نظام متعدد الاستخدامات إلى حد ما يمكن استخدامه لأشياء مختلفة” ، وقد يختلف توازن كل هذه الأشياء من نظام إلى آخر ومن نوع إلى نوع.

إذا تمكن العلماء من الحصول على فهم أفضل لكيفية عمل كريسبر في الطبيعة ، فقد يجمعون المزيد من المكونات الأولية للابتكارات التكنولوجية. لإنشاء طريقة جديدة لتحرير الحمض النووي ، استغلت Doudna وزملاؤها نظام CRISPR-Cas من نوع واحد من البكتيريا ، Streptococcus pyogenes. لا يوجد سبب لافتراض أنه أفضل نظام لذلك التطبيق. في Editas ، وهي شركة مقرها في كامبريدج ، ماساتشوستس ، كان العلماء يبحثون عن إنزيم Cas9 المصنوع من نوع آخر من البكتيريا ، Staphylococcus aureus.

في كانون الثاني (يناير) ، أفاد علماء Editas أنها فعالة في قطع الحمض النووي مثل Cas9 من Streptococcus pyogenes. ولكن لديها أيضًا بعض المزايا المحتملة ، بما في ذلك صغر حجمها ، مما قد يسهل توصيلها إلى الخلايا.

بالنسبة لكونين ، هذه الاكتشافات هي مجرد خطوات صغيرة في محيط تنوع كريسبر. يعمل العلماء الآن على تطوير بنية الإصدارات ذات الصلة البعيدة من Cas9 والتي يبدو أنها تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن تلك التي نعرفها الآن. “من يدري ما إذا كان هذا الشيء يمكن أن يصبح أداة أفضل؟” قال كونين.

 

 

وبينما يكتشف العلماء المزيد من المهام التي تنجزها كريسبر في الطبيعة ، فقد يكونون قادرين على محاكاة تلك الوظائف أيضًا. يشعر دودنا بالفضول بشأن استخدام كريسبر كأداة تشخيصية ، والبحث في الخلايا عن الطفرات السرطانية ، على سبيل المثال. قالت: “إنها تسعى وتكتشف ، لا تسعى وتدمر”. لكن بعد أن فاجأنا تقنية كريسبر من قبل ، تتوقع دودنا أن تفاجئنا الفوائد الأكبر من هذه الجزيئات مرة أخرى. قالت: “هذا يجعلك تتساءل ماذا يوجد هناك أيضًا”.