الحياة بسرعة الضوء

الحياة بسرعة الضوء
بقلم- كريج فنتر
يوثق Life at the Speed of Light (2013) عمل المؤلف وفريقه الرائد في تطوير أول شكل من أشكال الحياة الاصطناعية في العالم. إذا شاهدت عمل الفريق الرائد في تصنيع الجينوم الأول في العالم والتحقيق في النقل الآني للكائنات الحية ، فسوف تشعر باندفاع الاستكشاف.
لقد أثيرت كل من القضايا العملية والأخلاقية من خلال إمكانية الحياة المنتجة صناعيا.
لقد ناقش العالم العلمي فكرة الحياة الاصطناعية وآفاق تطورها منذ القرن التاسع عشر.
في عام 1828 ، عارض الكيميائي الألماني فريدريش فولر فكرة أن المنتجات العضوية وغير العضوية تختلف اختلافًا جوهريًا. لقد صنع اليوريا كيميائيًا ، المكون الأساسي للبول ، لدحض هذه الفرضية.
قد يبدو هذا الإنجاز تافهاً في الوقت الحاضر ، لكنه كان مفاجئًا في ذلك الوقت. تشبث المجتمع بوهم أن الوجود البشري مهم وفريد من نوعه ؛ إذا نجح العالم في تكرار أي شيء يفعله الإنسان بشكل طبيعي ، فماذا يشير هذا إلى تفرد البشرية؟
لقد انفتحت هوة منذ هذا الاكتشاف. فمن ناحية ، هناك أناس يفترضون أن “الحياة” يتم تحديدها أساسًا من خلال العمليات البيولوجية أو التفاعلات الفيزيائية والكيميائية. من ناحية أخرى ، يعتقد الأفراد الذين يؤمنون بالحيوية أن الحياة تقوم على “الروح” أو بعض الأغراض الحيوية التي تحييها.
ومع ذلك ، فإن مسألة ما إذا كان بإمكاننا بناء الوجود بشكل مصطنع أم لا لم تعد ملحة. النقاش اليوم هو ما إذا كان ينبغي لنا. يشعر الكثير من المواطنين بالقلق من مخاطر “لعب دور الرب”.
يعتقد الكثير ممن لديهم بوصلة أخلاقية أكبر أن الحياة الاصطناعية ستُعاقب بشدة من فوق ، أو أن الحياة الاصطناعية المتطورة ستنمو خارج تأثيرنا. استحوذ الوحش البشع والانتقامي الذي ابتكره العالم المجنون فرانكشتاين على خيال الناس العاديين الذين كانوا يخشون ما ستفعله التكنولوجيا في الأدب السائد.
حتى في بيئة اليوم ، يطرح اقتراح الذكاء الاصطناعي قضايا أخلاقية. فيلم تيرمينيتور يصور السايبورغ القاتلة ، بالإضافة إلى مخطط ذكاء اصطناعي أخطأ في عام 2001: أوديسا الفضاء ، مما يشير إلى قلق المجتمع بشأن “الحياة” الاصطناعية.
ومع ذلك ، فإن المخاوف العامة لم تبطئ تقدم البحث الاستكشافي. كانت الجينوميات العلمية والبحوث الجينية نتاج الجمع بين تخصصات الكيمياء والبيولوجيا والحساب.
أتاحت تكنولوجيا الكمبيوتر معالجة أسرع للحمض النووي ، مما ساهم في البحث عن وصفة سرية للحياة.
في حين أن قراءة وفك تشفير خيط DNA ليس بالأمر السهل ، فإن التقدم في تكنولوجيا الكمبيوتر جعل أحلام علماء الوراثة أقرب إلى الحياة.
في الواقع ، كان اختراع آلات تسلسل الحمض النووي الأوتوماتيكي هو الذي دفع دراسة الجينوم إلى عصر جديد.
قبل اختراع آلات قوية ، قد يستغرق تسلسل شفرة جين واحد مدة تصل إلى عام. ومع ذلك ، تمكن العلماء من تسجيل الشفرة الجينية بالتسلسل في جهاز الكمبيوتر في التسعينيات ، وذلك بفضل استخدام الأصباغ الفلورية والليزر المتطور. علاوة على ذلك ، فإن القدرة على الاحتفاظ بكميات كبيرة من البيانات التي تم فك تشفيرها رقميًا جعلت التحليل أبسط.
أنشأ المؤلف معهد أبحاث الجينوم ، أكبر منشأة في العالم لتسلسل الحمض النووي ، في هذه الفترة.
كان فريقه أول من قام بتسلسل الحمض النووي الكامل لكائن حي في عام 1995 ، مما مهد الطريق لبحث المؤلف لإنشاء خلية اصطناعية.
أدى تطوير مجموعة من الجينومات المتسلسلة إلى تقريب العلماء من فهم الأقسام المكونة لجميع أشكال الحياة. بعد أن تمكن العلماء من فك شفرة عدد من الجينومات ، تمكنوا من مقارنتها ، والتي كانت خطوة مهمة في التعرف على الاختلافات والتوازيات مع توسيع وعينا بتنوع الحياة.
ثم شرع الفريق في تحديد أقل عدد من الخلايا المطلوبة لتطور الحياة.
فعل الباحثون ذلك من خلال مقارنة مجموعتين مختلفتين من الأنواع واكتشاف 480 جينًا مشابهًا ، قد يكون بعضها مهمًا لجميع الكائنات الحية.
لجعل الفكرة قيد الاختبار ، صنع الباحثون كيميائيًا كروموسومًا كاملًا مكونًا بالكامل من هذه الجينات الحيوية. على الرغم من أن البحث لا يزال جاريًا ، فقد قام الفريق بتضييق المجال من خلال استبعاد الجينات غير الأساسية واحدة تلو الأخرى.
تم إعداد المشهد لمهمة جديدة بشكل أساسي: توليف الحمض النووي نفسه ، بسبب التطورات التكنولوجية في الربط والتخزين ، فضلاً عن القدرة على التمييز بين الجينات المهمة وغير الأساسية.
تم إنشاء الحمض النووي الكيميائي من خلال تجربة حاسمة مهدت الطريق للحياة الاصطناعية.
ثم انطلق فريق المؤلف في مهمة لبناء كروموسوم كامل من الصفر باستخدام كود الآلة فقط.
ومع ذلك ، فقد أرادوا إنشاء بعض البروتوكولات الحديثة أولاً. لقد توصلوا في النهاية إلى إستراتيجية قابلة للتطبيق لتحقيق هدفهم.
استخدم الباحثون فيروسًا “بسيطًا” اسمه Phi X 174 للتجربة. العاثية هي نوع من الفيروسات التي تصيب البكتيريا. كان Phi X 174 معروفًا في عالم الوراثة ، حيث تم استخدامه في عدد من الدراسات لأكثر من 40 عامًا.
نظرًا لطبيعته الأساسية (11 جينًا فقط) ، كان Phi X 174 أول فيروس يتم تسلسله وراثيًا ، بالإضافة إلى أول فيروس يتم نسخ جينومه. كل هذا جعل Phi X 174 فيروسًا مرشحًا مثاليًا لجهود الفريق الكاملة لتخليق الكروموسوم.
كان الفريق قادرًا على استخدام كود الآلة لإنشاء مادة جينية قابلة للحياة باستخدام الفيروس ، ولكن بشكل أكثر تحديدًا ، تمكنوا من إثبات أن الوجود البيولوجي يمكن إنشاؤه باستخدام الحمض النووي الكيميائي فقط.
قام الفريق بإدخال الحمض النووي المتسلسل بشق الأنفس لفيروس Phi X 174 في جهاز كجزء من تجربة 2003. تم بعد ذلك نسخ الشفرة كيميائيًا بواسطة مُصنِّع الحمض النووي الأوتوماتيكي.
ثم وضع الفريق وحدات بناء الحمض النووي الجاهزة والمختارة بعناية معًا بالتسلسل المناسب. استخدموا الإنزيمات لربط الحمض النووي معًا بمجرد أن يصبح كل شيء في مكانه.
بعد ذلك ، تم إدخال الحمض النووي الاصطناعي في البكتيريا المضيفة. أعلن الفريق أن العاثية الاصطناعية نجحت في إصابة البكتيريا بعد فترة حضانة.
كان الفريق قادرًا على إظهار أن الحمض النووي الاصطناعي ، الذي تم إنشاؤه كيميائيًا من كود الآلة ، أنتج المعرفة المطلوبة لإنشاء فيروس في أسبوعين فقط!
أنتج فريق المؤلف أول جينوم اصطناعي لكائن حي في عام 2007.
قام الفريق بعمل مذهل: فقد أنتجوا فيروسًا ، مما يدل على إمكانية تحفيز الحمض النووي الاصطناعي.
من ناحية أخرى ، الفيروسات ليست “حية” حقًا ، ولكنها مجرد مادة وراثية مغلفة بالبروتين. لذلك لنقل ، من بكتيريا “حية” ، هل سيكون من الممكن تصنيع جينوم أكثر تعقيدًا بكثير؟
كانت هذه هي المهمة التالية التي قام بها فريق المؤلف.
بدأ الباحثون في البحث عن أصغر جينوم في العالم ، والموجود في Mycoplasma genitalium ، وهو كائن حي ذاتي التكاثر. تسبب هذه البكتيريا الصغيرة التهابات المسالك البولية لدى البشر.
هذا المشروع ، رغم ذلك ، كان مشروعًا أكبر بكثير من مشروع الفريق السابق. للبقاء على قيد الحياة ، يجب عليهم تخليق 582970 زوجًا أساسيًا من الحمض النووي بشكل صحيح ، وهو ما يزيد 20 مرة عن المعرفة التي تم تصنيعها تاريخيًا.
نظرًا لأن الخبرة السابقة للفريق أثبتت أنه يمكنهم الحفاظ على الدقة عند توليف 5000 زوج أساسي من الشفرة الجينية ، قاموا بتقسيم جينوم M. genitalium إلى 101 شريط كاسيت.
سيتم تصنيع كل شريط بشكل منفصل ثم إعادة تجميعه. غالبًا ما تُستخدم العلامات المائية في النص ، أو التسلسلات الجينية الفريدة التي تحدد معمل الجينوم الأصلي ، لضمان الحقوق الحصرية لعملهم.
لكن كيف ربطوا الأجزاء المتعددة بهذه الدقة؟ كان لكل شريط سلسلة متناوبة في البداية والنهاية ، مما سهل على العلماء تذكر المكان الذي يمكن أن يذهب إليه كل قسم.
كان الشرط الأخير هو أن يتم تنفيذ الكود في بيئة آمنة. اختاروا خلايا الخميرة ثم أدخلوا الحمض النووي الجديد فيها.
لقد أكدوا التطور الصناعي الفعال للجينوم البكتيري بعد تحليل متين لتسلسل الحمض النووي وتحديد العلامة المائية للفريق.
تم تصنيع جينوم كائن حي لأول مرة! ستكون الخطوة التالية للفريق هي إدخال جينوم اصطناعي في خلية وبناء كائن حي بيولوجي حي ، والذي سيكون الهدف الأكثر صعوبة حتى الآن.
ادعاء شهرة الفريق هو زرعهم لأول جينوم اصطناعي في خلية أخرى.
على الرغم من أعاجيبها ، شعر العالم العلمي أن تخليق جينوم كائن حي لم يكن كافيًا.
قد يرفض المشككون الحمض النووي المتولد كيميائيًا باعتباره أكثر بقليل من جزيء اصطناعي. سيكون الإجراء الحقيقي هو معرفة ما إذا كان الحمض النووي الاصطناعي للفريق قابلاً للحياة ، الأمر الذي يتطلب زرعه في جسم الخلية ليصبح المادة الجينية الجديدة للخلية.
كان هذا هو الهدف الأكبر ، لأن زرع جينوم اصطناعي في خلية من شأنه أن يحول حيوانًا إلى آخر بشكل فعال ، وهو أمر لم يحدث من قبل.
كانت الخطوة الأولى هي إعادة التجربة ببكتيريا جديدة من البداية. ومع ذلك ، لماذا تركت الفرقة M. genitalium؟ نظرًا لأن البكتيريا تتكاثر ببطء شديد ، كان على الفريق الانتظار لمدة تصل إلى ستة أسابيع لمعرفة ما إذا كان الاختبار فعالًا أم لا.
كان يجب أن يكون الفريق هو الأول ، لذلك كان كل من السرعة والدقة ضروريين.
لصالح جينوم اصطناعي تم الحصول عليه مؤخرًا من M. mycoides ، تخلص الفريق من M. genitalium. تمكنوا من دراسة النتائج في غضون أيام قليلة فقط بسبب سرعة تكاثر البكتيريا.
سيكون العثور على المستلم المناسب أكثر صعوبة. اكتشف الباحثون أن خلايا معينة لها طبقة واقية على السطح تمضغ أي DNA يتلامس معها ، مما يجعلها غير مناسبة كخلايا متلقية.
ومع ذلك ، اكتشف الباحثون أن مادة البولي إيثيلين جلايكول الكيميائية يمكن أن تساعد في جعل غشاء الخلية المستقبلة أكثر نفاذية وكذلك حماية الحمض النووي أثناء عملية الزرع. الآن مع هذه الخبرة وبكتيريا مضيفة مناسبة ، تم تحضيرهم.
تم إنشاء أول كائن حي مع والد كمبيوتر عن طريق زرع الحمض النووي الاصطناعي في خلية.
نجح الفريق في تجارب الزرع الأولية باستخدام عملية البولي إيثيلين جلايكول. ثم انتظروا حتى يتم تسلسل جينوم M. mycoides وتوليفه وزرعه للمرة الأخيرة.
على الرغم من أن الأمور لم تسر كما هو متوقع. نظرًا لأن أصغر حالات الفشل في تسلسل الحمض النووي يمكن أن تكون مميتة.
إليك كيف تكشفت. بدأ الفريق في الحصول على نتائج سلبية خلال الجولة النهائية ، مما يشير إلى أن البكتيريا لم تكن تتطور. كشف الفحص الدقيق عن سبب المشكلة: حذف حرف واحد في تسلسل الحمض النووي لزوج القاعدة. هذا الخطأ الذي يبدو طفيفًا وضع كل شيء في حالة من الفوضى.
رأى الفريق الخطأ وغير المسلسل. بعد ذلك ، تمت عمليات الزرع دون عوائق ، مما جعل تاريخ علم الوراثة أول حيوان حي يتكاثر ذاتيًا يمتلك جهاز كمبيوتر لوالده!
عندما أصبح الحمض النووي المزروع حديثًا متورطًا ، بدأ في تكوين مستعمرات خلوية يسيطر عليها الجينوم الاصطناعي فقط. ذهب الفريق أيضًا إلى أبعد من ذلك لتشفير عنوان البريد الإلكتروني للمختبر في سلسلة الحمض النووي الاصطناعي لأنهم تذكروا وضع علامة مائية على وظيفتهم!
قاموا برقمنة علم الأحياء عن طريق ترجمة البيانات التناظرية الكيميائية للحمض النووي إلى الشفرة الرقمية للكمبيوتر ، ثم إعادة بناء التفاصيل الكيميائية في جزيء من الحمض النووي لإنتاج الخلايا الحية.
تكريما لمعهد جيه كريج فنتر ، حدد الفريق الخلية الجديدة M. mycoides JCVI-syn 1.0.
أصبح الوجود التركيبي ممكنًا بفضل هذه التجربة الرائدة. ولكن كيف تجاوب الجمهور مع هذا التطور؟ والأهم من ذلك ، ما هو تأثير الحياة الاصطناعية على المستقبل؟
التقى الجمهور بأول كائن من صنع الإنسان بهتافات وسخرية.
كان هدف المؤلف من إنشاء أول مثال عن الحياة الاصطناعية هو إثبات أن الحمض النووي هو البرنامج والأساس لجميع أشكال الحياة. في جمل أخرى ، أراد دحض كل نظريات النزعة الحيوية.
ومع ذلك ، فإن تقديم المواطنين إلى تقديم تنازلات حول ما يجعل “الوجود” يمثل تحديًا صعبًا.
كان رد الفعل على الاكتشاف مختلطًا. اعتبره بعض الصحفيين حدثًا تاريخيًا ، في حين وصفه آخرون بأنه فرصة ولكن كشف له مغزى. قال البعض أيضًا إنه لم يتم إنتاج “وجود اصطناعي” منذ أن تمت عملية الزرع باستخدام خلية طبيعية بدلاً من خلية اصطناعية.
ادعى هذا الطرف الأخير أن كلمة “الحياة الاصطناعية” لا يمكن أن تمتد إلا إلى الأنواع المنتجة من الألف إلى الياء. ومع ذلك ، يكاد يكون من الصعب إنتاج شيء ما دون وجود عنصر تمت معالجته مسبقًا بأي شكل. عند خبز كعكة من الصفر ، على سبيل المثال ، تقوم أحيانًا ، إن وجدت ، بطحن الدقيق أو طحن السكر بنفسك.
ومع ذلك ، كان العديد من المواطنين يخشون أن يقع هذا الإجراء في الأيدي الخطأ. جعلت التطورات التكنولوجية من الممكن إنشاء أدوات معملية محلية الصنع ، ويمكن للمعرفة مفتوحة المصدر أن تجعل من الممكن للجميع تقريبًا التلاعب بـ “تقنية” الحياة.
على سبيل المثال ، قد يتعلم الإرهابيون البيولوجيون صنع جراثيم قاتلة مثل البكتيريا التي تسبب الطاعون الدبلي ، والتي قتلت عشرات الملايين من الناس خلال العصور الوسطى.
لذا فإن الضوابط مهمة ، ولكن من الضروري أيضًا الاحتفاظ بوجهة نظر تجمع بين المزايا الهائلة للتكنولوجيا الحيوية ومخاطرها المحتملة بعيدة المدى.
طلاب علم الأحياء ، على سبيل المثال ، يتمتعون اليوم بوصول لا مثيل له إلى التكنولوجيا التي كان الوصول إليها تاريخيًا متاحًا فقط لكبار العلماء ، مما يمكن الجميع من الاستفادة من الوعي الموسع والاستكشاف.
ومع ذلك ، هناك الكثير في المستقبل. ضع في اعتبارك مزايا النقل الآني للحمض النووي أو ربما الخلايا الكاملة ، وهو احتمال أصبح ممكنًا من خلال رقمنة الحمض النووي وتركيبه.
النقل عن بعد ليس فقط لستار تريك ، سنرسل رمز DNA من كوكب إلى كوكب قريبًا.
أنت واحد من المواطنين القلائل الذين تطأ أقدامهم المريخ. ومع ذلك ، فإن الكمبيوتر الذي يحافظ على ضغط الهواء في ملجأك ينهار ، ويعرضك لجرثومة غريبة. أنت بحاجة إلى مضاد حيوي ، لكن مختبرًا على وجه الأرض فقط هو الذي سيحصل عليه. فما هي البدائل؟
بالتأكيد ، لا توجد مستعمرات على سطح المريخ – على الأقل حتى الآن. من ناحية أخرى ، لا يزال علماء الفيزياء في الأرض يحلمون بإمكانيات مثل هذه ويبتكرون إجابات لأسئلة الحياة بين النجوم.
أحد البدائل الممكنة هو النقل البيولوجي. كان فريق المؤلف يدرس طرقًا لتحويل المواد الجينية إلى موجات كهرومغناطيسية يمكنها الطيران لمسافات طويلة ، بناءً على عملهم السابق باستخدام كود الكمبيوتر لإنشاء أنواع حية.
إذا كانت هذه الاختبارات فعالة ، فسنكون قادرين على نقل المعرفة اللازمة لخلق الحياة بسرعة الضوء – النقل البيولوجي في الأساس.
على سبيل المثال ، يمكنك نقل الحمض النووي لبكتيريا المريخ عن بعد إلى مختبر على الأرض ، حيث يمكن للعلماء صنع مضاد حيوي ثم نقله عن بعد مرة أخرى.
هناك العديد من الاستخدامات الصحية لهذه التكنولوجيا. يمكن استخدامه لتشخيص الأمراض الجديدة بسرعة أو لتصميم الأدوية وتوزيعها على المستشفيات من خلال الهياكل الجزيئية.
قد يساعد النقل البيولوجي عن بعد في فهمنا للوجود في عوالم أخرى. نود بطبيعة الحال دراسة نوع حياة فضائي في المختبر إذا وجدنا واحدًا. القضية الوحيدة هي الوصول إلى هناك. يمكن أن تنتهي صلاحية عينة على الطريق الطويل إلى الأرض ، أو يمكن أن تنتج بكتيريا خطرة ، مثل بكتيريا أكل اللحم.
على الرغم من أنه في المستقبل غير البعيد ، قد تكون متسلسلات الجينوم المنظمة آليًا قادرة على تفسير الحمض النووي لكل ميكروب وإعادة المعرفة إلى المختبرات على الأرض ، حيث يمكن إعادة بناء الكائن الحي بشكل آمن في جو متحكم فيه.
الملخص النهائي
تم اكتشاف ألغاز الخلق بواسطة علم الأحياء الحديث ، ويمكن احتواؤها في حمضنا النووي. في السنوات الأخيرة ، قام علماء الوراثة بإطلاق العنان لوسائل معالجة ونسخ وحتى رقمنة البيانات الجينية ، مما مهد الطريق لإمكانيات رائدة مثل إرسال الحمض النووي عبر الإنترنت أو النقل الآني للشفرة الجينية من المريخ.

اترك تعليقًا

إملأ الحقول أدناه بالمعلومات المناسبة أو إضغط على إحدى الأيقونات لتسجيل الدخول:

شعار ووردبريس.كوم

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   /  تغيير )

Google photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google. تسجيل خروج   /  تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   /  تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   /  تغيير )

Connecting to %s