الحياة معقدة. حتى أصغر الخلايا تحتوي على تشكيلة مذهلة من التفاعلات الكيميائية التي تسمح لها بالازدهار في بيئة فوضوية.
إذا أردنا أن نعرف أين نرسم الخط الفاصل بين الحياة وفقاعات الحساء العضوي القديم ، فهذا يساعد على تجريد الإضافات غير الضرورية لفضح المكونات الأساسية ، ثم رسم خريطة لكيفية عمل كل منها.
كان هذا هو هدف علماء الكيمياء الحيوية لعدد من السنوات ، الذين نجحوا ، على مر السنين ، في تصميم بعض الكائنات الحية الأساسية المدهشة التي بالكاد تتشبث بالحياة في المختبر.
الآن ، قام علماء من معهد J. Craig Venter وجامعة إلينوي Urbana-Champaign في الولايات المتحدة وجامعة Technische Universität Dresden في ألمانيا بالخطوة التالية وقاموا ببناء محاكاة مفصلة لأحدث ميكروب بسيط.
“الجديد هنا هو أننا طورنا نموذجًا حركيًا ثلاثي الأبعاد وديناميكيًا بالكامل لخلية حية صغيرة تحاكي ما يحدث في الخلية الفعلية ،” يقول كيميائية جامعة إلينوي أوربانا شامبين زيدا لوثي شولتن.
قاد Luthey-Schulten فريقًا من الباحثين في تحليل التغيرات الجينية والأيضية والهيكلية المتنوعة التي تحدث في ثقافة متكاثرة من البكتيريا الاصطناعية تسمى JCVI-syn3A.
محاكاة عمل أبسط الكائنات الحية ، مثل أنواع الميكوبلازما أو الميكروب الشائع الإشريكية القولونية، لا يزال يتطلب بعض عوامل الفدج الرياضية لنمذجة عمليات العديد من الأنظمة الفرعية على نطاق واسع. لم يكن من الممكن نسج مجموعة كاملة من الأوصاف التفصيلية لكل شيء بدءًا من الجينات وحتى العناصر الغذائية ، حتى بالنسبة لهذه البكتيريا البسيطة نسبيًا.
في أوائل 2000s، قام الباحثون في معهد J. Craig Venter بإزالة أكبر عدد ممكن من الجينات ميكوبلازما ميكويدات، تاركًا النسخة التي كانت على وشك البقاء على قيد الحياة.
شكل الحياة الاصطناعية هذا ، المسمى JCVI-syn1.0 ، سرعان ما تم استبداله بشيء أكثر أساسية. JCVI-syn3.0.
https://www.youtube.com/watch؟v=giEJK5zHJmw
تحتوي هذه النسخة المحدثة فقط على 531000 قاعدة مقسمة على 473 جينًا. مع كل احتياجاته الغذائية التي يوفرها المختبر ، يُترك جينوم العظام المجردة للعناية بالتكاثر والنمو وقليلًا من الأشياء الأخرى.
ومع ذلك ، فإن JCVI-syn3.0 ليست متسقة تمامًا في نموها ، مما ينتج عنه تنوع محير من الأشكال في ذريته. ظهرت بعض الجينات مرة أخرى ، مما أدى إلى أحدث نسخة من الخلية الصغيرة: JCVI-syn3A.
ومع ذلك ، فإن مبتكريها لديهم فكرة قوية عن الجينات التي تحتويها خليتهم الاصطناعية لا يزالون يعملون بها بالضبط ما يفعله كل واحد.
لجعل الأمور أكثر صعوبة ، من الأهمية بمكان معرفة كيفية انتشار كل ذرة وجزيء عبر الخلية ، وهو وصف يتطلب قوة حوسبية شديدة التحمل لمحاكاته.
“لقد طورنا نموذجًا حركيًا ثلاثي الأبعاد وديناميكيًا بالكامل لخلية حية صغيرة” يقول لوثي شولتن.
“يفتح نموذجنا نافذة على الأعمال الداخلية للخلية ، ويوضح لنا كيف تتفاعل جميع المكونات وتتغير استجابة للإشارات الداخلية والخارجية. سيساعدنا هذا النموذج – والنماذج الأخرى الأكثر تعقيدًا القادمة – على فهم أفضل المبادئ الأساسية للحياة “.
أكدت المحاكاة بعض الشكوك ، مثل حقيقة أن معظم طاقة الخلية المصغرة ذهبت نحو سحب المواد الأساسية عبر الأغشية.
كما قدم وصفاً دقيقاً للجداول الزمنية للتفاعلات الجينية والاستقلابية ، موضحاً العلاقات بين معدل إنتاج الدهون والبروتينات في الغشاء والتغيرات في شكل الخلية.
نظرًا لأن JCVI-syn3A هي في الأساس نسخ مختصرة من كائن طبيعي يحدث بشكل طبيعي ، فهي مجرد مثال واحد على كيفية تقليل وظائف علم الأحياء إلى الحد الأدنى. الحياة لا شيء إن لم تكن مبدعة في كيفية التغلب على عقبات البقاء على قيد الحياة.
الآن بعد أن أصبح لدينا نموذجًا مثبتًا لمحاكاة نمو وتطور JCVI-syn3A ، يمكن للباحثين بناء تعقيده مرة أخرى لتحديد كيفية إضافة الجينات المختلفة إلى وظيفتها.
قد نتوقع إصدارات “خفيفة” جديدة ليس فقط M. mycoides، لكن الكائنات الحية الأخرى في المستقبل القريب. إن لم يكن أشكال حياة اصطناعية جديدة تمامًا.
قد تظل الحياة معقدة ، لكن الدراسة أصبحت أسهل بكثير.
تم نشر هذا البحث في خلية.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”
