کشف انقلابی: باکتری با کد ژنتیکی فشرده‌تر، مرزهای حیات را جابجا می‌کند

در قلب هر موجود زنده‌ای، از درختان افرا گرفته تا کوسه‌های سرچکشی و قارچ‌های شیتاکه، کدی نهفته است که سلول‌ها از آن برای تبدیل اطلاعات ژنتیکی (DNA) به پروتئین استفاده می‌کنند. این کد ژنتیکی، با وجود تفاوت‌های جزئی، در سراسر جهان زیستی تقریباً یکسان است. اما نکته قابل توجه، وجود «افزونگی» در این کد است؛ به این معنا که چندین ترکیب مختلف از بازهای DNA می‌توانند برای یک آمینواسید یکسان کدگذاری کنند. سال‌هاست که دانشمندان در مورد علت این افزونگی بحث کرده‌اند: آیا این ویژگی عملکردی خاصی دارد یا صرفاً نتیجه‌ای تصادفی از تاریخ تکامل است؟

امروزه، با پیشرفت‌های چشمگیر در مهندسی ژنتیک، دانشمندان می‌توانند فراتر از بحث‌های نظری پیش بروند. طی دهه‌ی گذشته، پژوهشگران موفق به ساخت میکروارگانیسم‌هایی با کدهای ژنتیکی فشرده‌تر شده‌اند که بخشی از این افزونگی را حذف کرده‌اند. مطالعه‌ای جدید که اخیراً منتشر شده است، میکروبی را توصیف می‌کند که دارای کمترین میزان افزونگی در کد ژنتیکی است. نکته‌ی شگفت‌انگیز این است که این باکتری‌های دست‌کاری‌شده می‌توانند با کدی ساده‌شده همچنان زنده بمانند و این امر نشان می‌دهد که کد ژنتیکی کامل و با تمام افزونگی‌هایش، برای بقای حیات ضروری نیست.

زبان حیات چگونه کار می‌کند؟

دی‌ان‌ای از چهار باز مولکولی ساخته شده است: آدنین (A)، تیمین (T)، گوانین (G) و سیتوزین (C). دنباله‌هایی از صدها یا هزاران باز، ژن‌ها را تشکیل می‌دهند. سلول‌ها این دنباله‌ها را سه‌تا سه‌تا می‌خوانند و به این واحدهای سه تایی کدون گفته می‌شود.

دانشمندان موفق به ساخت نوعی باکتری شده‌اند که از کد ژنتیکی ساده‌تر با تنها ۵۷ کدون استفاده می‌کند، در حالی که کد ژنتیکی طبیعی شامل ۶۴ کدون است.

هر کدون با یکی از ۲۰ آمینواسید موجود در سلول مطابقت دارد. آمینواسیدها اجزای سازنده‌ی پروتئین‌ها هستند. نکته‌ی کلیدی در کد ژنتیکی این است که چند کدون می‌توانند برای یک آمینواسید مشترک کدگذاری کنند. برای مثال، کدون TCT آمینواسید «سرین» را تولید می‌کند، اما پنج کدون دیگر نیز همین کار را انجام می‌دهند (TCC، TCA، TCG، AGT و AGC).

در مجموع، ۶۱ کدون برای ساخت ۲۰ آمینواسید استفاده می‌شوند. سه کدون باقی‌مانده نیز نشانگر پایان ژن هستند. بنابراین، کد ژنتیکی با ۶۴ کدون، دارای افزونگی بالایی است.

چرا کد ژنتیکی این‌قدر حجیم است؟

از دهه‌ی ۱۹۶۰ که ساختار کد ژنتیکی کشف شد، دانشمندان درباره‌ی چرایی وجود ۶۴ کدون بحث کرده‌اند. اینکه همه‌ی گونه‌ها از این کد یکسان استفاده می‌کنند، این گمان را تقویت کرده که احتمالاً این ساختار برای بقا ضروری است. اما حدود ۱۰ سال پیش، دانشمندان تصمیم گرفتند این فرضیه را به‌طور تجربی آزمایش کنند. با توانایی ساخت ژنوم‌ها از صفر، امکان حذف کدون‌های افزونه و بررسی عملکرد سلول با کدی کوچک‌تر فراهم شد.

دکتر وسلی رابرتسون، زیست‌شناس مصنوعی از مرکز تحقیقات پزشکی انگلستان و همکارانش روی باکتری «اشریشیا کلی» کار می‌کنند که در روده‌ی انسان زندگی می‌کند و از بیش از یک قرن پیش، به دقت مطالعه شده است.

پژوهشگران در ابتدا، تصمیم گرفتند شش کدون مرتبط با آمینواسید سرین را به فقط دو عدد کاهش دهند. این تغییرات نیازمند ویرایش‌های گسترده‌ای در ژنوم باکتری بود که حدود ۴ میلیون باز دارد. برای حذف ۳ کدون در نسخه‌ی اولیه به نام Syn61، آن‌ها بیش از ۱۸ هزار کدون را تغییر دادند. اما برای رسیدن به Syn57 (نسخه‌ای با فقط ۵۷ کدون)، باید بیش از ۱۰۰ هزار کدون را بازنویسی می‌کردند.

این فرآیند با خطاهای فراوانی همراه بود. برخی تغییرات بی‌ضرر بودند، اما برخی دیگر موجب اختلالات جدی شدند. برای مثال برخی ژن‌ها در ژنوم باکتری با هم همپوشانی دارند و تغییر در یکی از ژن‌ها می‌تواند ژن مجاور را مختل کند. آن‌ها ناچار شدند این ژن‌ها را از یکدیگر جدا کنند و بخش‌های جدیدی از DNA بسازند.

باکتری مصنوعی ساخت دانشمندان بسیار کندتر از نمونه‌ی طبیعی رشد می‌کند، اما زنده است.

سرانجام، در تابستان ۲۰۲۵، تیم پژوهشی موفق به ساخت Syn57 شدند؛ باکتری‌ مصنوعی جدیدی که فقط با ۵۷ کدون کار می‌کند.

Syn57: زنده، اما ضعیف

درحالی‌که اشریشیا کلی طبیعی هر ساعت یک‌بار جمعیتش را دو برابر می‌کند، Syn57 برای این کار چهار ساعت زمان نیاز دارد. اما پژوهشگران امیدوارند بتوانند عملکرد Syn57 را بهبود ببخشند. در صورت موفقیت، می‌توان آن را برای کاربردهایی مهندسی کرد که باکتری‌های معمولی قادر به انجام آن‌ها نیستند. یکی از کاربردهای بالقوه، تولید داروهای جدید با استفاده از آمینواسیدهای مصنوعی است که در طبیعت وجود ندارند.

همچنین، استفاده از Syn57 می‌تواند به کاهش خطرات زیستی ناشی از رهاشدن میکروب‌های مهندسی‌شده در محیط کمک کند. از آن‌جایی که این باکتری از کدی متفاوت استفاده می‌کند، ژن‌های آن برای باکتری‌های طبیعی قابل فهم نیستند و در صورت انتقال تصادفی، به درستی ترجمه نمی‌شوند و به این شکل می‌توان از فرار اطلاعات ژنتیکی از موجودات مصنوعی جلوگیری کرد.

ساختار Syn57 همچنین پرسش‌های بنیادی‌تری درباره‌ی منشأ کد ژنتیکی برمی‌انگیزد. فرانسیس کریک، زیست‌شناس برجسته و برنده‌ی نوبل، در سال ۱۹۶۸ دو فرضیه مطرح کرد: یکی اینکه کد ژنتیکی کنونی مزیتی ذاتی دارد که موجب انتخاب طبیعی آن شده و دیگری اینکه این کد حاصل تصادف است.

دکتر رابرتسون معتقد است بقای Syn57 بدون ۷ کدون، از فرضیه‌ی دوم حمایت می‌کند و می‌گوید آن‌طور که قبلاً تصور می‌شد، این کد جهانی قانون قطعی و تغییرناپذیر حیات نیست، بلکه می‌شود آن را تغییر داد و زندگی همچنان ادامه پیدا کند.