معلومة

كيف يمكن استخدام بكتيريا التمثيل الغذائي الصيدلاني لتكوينها؟

كيف يمكن استخدام بكتيريا التمثيل الغذائي الصيدلاني لتكوينها؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

دعنا نقول لدي "P" الصيدلانية. يمكن تقسيمها بواسطة إنزيمات سلالة واحدة من البكتيريا إلى جزيئين يمكن استقلاب أحدهما إنزيميًا بواسطة سلالة مختلفة من البكتيريا. ونتيجة لذلك ، يمكن أن تتحلل كلا السلالتين "P" إلى أبسط المستقلبات.

هل يمكن للمرء أن يأمل في عكس التفاعل باستخدام نفس الإنزيمات وجعل البكتريا تنتج "P" من العناصر الغذائية الأساسية ، وإذا كان الأمر كذلك ، فكيف يجب تغيير الظروف؟ أو ربما يكون من الممكن خارج الجسم الحي؟


مبدئيا نعم، لأن جميع التفاعلات تقريبًا توجد في حالة توازن وأن الإنزيمات عبارة عن محفزات (بمعنى أنها تؤثر بشكل أساسي على طاقة التنشيط لتفاعل معين).

أفضل نهج هو تنقية الإنزيمات المعنية (ربما ليس حتى من الأنواع الأصلية ، ولكن من بكتيريا أخرى معدلة وراثيًا) ، لأن هذا يقلل من أنظمتك الإجمالية من كائنين مختلفين وجميع الإنزيمات والمستقلبات الخاصة بهم إلى مجموعة محددة جدًا من إنزيمين وحفنة من المستقلبات.

لكن

  • قد يكون التوازن الطبيعي للتفاعل في صالح المستقلبات الأساسية.
    حتى لو قمت بتسريع توليد "P" ، فلن يساعد ذلك كثيرًا إذا تم تحويل جزء فقط في المقام الأول. تتعامل العديد من الأنظمة البيولوجية مع هذه المشكلة عن طريق اقتران الخطوات غير المواتية بالتحلل المائي للجزيئات عالية الطاقة (مثل ATP) ، لكن الارتباط بهذا الإنزيم سيكون عملية صعبة للغاية.
  • قد لا يكون الإنزيم (الإنزيمات) محددًا بشكل مفرط لـ "P".
    يمكن أن تعمل العديد من الإنزيمات التي تزيل أو تكسر المنتجات "غير المرغوب فيها" على عدة جزيئات متشابهة. هذا أمر منطقي بالنسبة للخلايا ، نظرًا لأنه من الأكثر فعالية أن يكون لديك إنزيم واحد يعتني بالعديد من "الأشياء السيئة". ومع ذلك ، فإن هذا يجعل عكس العملية أمرًا صعبًا نظرًا لأن رد فعلك سينتج عنه العديد من المنتجات التي يكون أحدها مثيرًا للاهتمام. تحسين الإنزيم ليكون أكثر تحديدًا هو أمر مباشر نسبيًا باستخدام التطور في المختبر.
  • "المستقلبات الأساسية" ليست شيئًا محددًا بوضوح.
    العديد من المستحضرات الصيدلانية معقدة جدًا ، ومن المحتمل أن تقوم الإنزيمات التي تفككها بتقطيعها حرفيًا إلى قطعتين. ما إذا كانت هذه القطع سهلة الحصول على المواد الكيميائية التي يمكن استخدامها كمدخلات للتفاعل الأنزيمي هو سؤال مختلف. اعتمادًا على درجة تعقيد 'P' ، قد تضطر إلى استخدام عدد كبير جدًا من الإنزيمات (وكلها قد تأتي مع المشكلات المذكورة أعلاه) لتتمكن من البدء من الجزيئات الأساسية المعقولة.

بكتيريا الكبريت

سيراجع محررونا ما قدمته ويحددون ما إذا كان ينبغي مراجعة المقالة أم لا.

بكتيريا الكبريت، جمع بكتيريا الكبريت، أي مجموعة متنوعة من الكائنات الحية الدقيقة القادرة على استقلاب الكبريت ومركباته والمهمة في دورة الكبريت (q.v.) في الطبيعة. بعض المواد الكبريتية الشائعة التي تستخدمها هذه البكتيريا كمصدر للطاقة هي كبريتيد الهيدروجين (H2S) والكبريت وثيوسلفات (S.2ا3 2-). المنتج النهائي لأكسدة الكبريت هو كبريتات (SO4 2- ).

الثيوباسيلوس ، على نطاق واسع في الموائل البحرية والبرية ، يؤكسد الكبريت ، وينتج الكبريتات المفيدة للنباتات في رواسب الأرض العميقة ، ويولد حامض الكبريتيك ، الذي يذيب المعادن في المناجم ولكنه يفسد الخرسانة والصلب أيضًا. Desulfovibrio desulficans يقلل الكبريتات في التربة المشبعة بالمياه ومياه الصرف الصحي إلى كبريتيد الهيدروجين ، وهو غاز برائحة البيض الفاسد الشائعة جدًا في مثل هذه الأماكن. ثيوثريكس ، شائع في الينابيع الكبريتية وفي مياه الصرف الصحي ، و سلفولوبس ، محصورة في الينابيع الساخنة الغنية بالكبريت ، وتحويل كبريتيد الهيدروجين إلى عنصر كبريت.

تستخدم العديد من الأنواع في العائلات Chromatiaceae (بكتيريا الكبريت الأرجواني) و Chlorobiaceae (بكتيريا الكبريت الخضراء) الطاقة من الضوء في بيئة خالية من الأكسجين لتحويل الكبريت ومركباته إلى كبريتات.


يمكن للبكتيريا الجيدة أن تخفف من الآثار الجانبية للعلاج الكيميائي

في الأمعاء البشرية ، البكتيريا الجيدة تصنع جيرانًا عظيمين.

وجدت دراسة جديدة لجامعة نورث وسترن أن أنواعًا معينة من بكتيريا الأمعاء يمكن أن تحمي البكتيريا الجيدة الأخرى من علاجات السرطان & # x2014 من التخفيف من التغيرات الضارة التي يسببها الدواء في ميكروبيوم الأمعاء. عن طريق التمثيل الغذائي لأدوية العلاج الكيميائي ، يمكن للبكتيريا الواقية أن تخفف الآثار الجانبية قصيرة وطويلة المدى للعلاج.

في النهاية ، يمكن أن يؤدي البحث إلى مكملات غذائية جديدة أو بروبيوتيك أو علاجات مصممة للمساعدة في تعزيز مرضى السرطان وصحة الأمعاء. نظرًا لأن تغييرات الميكروبيوم المرتبطة بالعلاج الكيميائي في الأطفال مرتبطة بالمضاعفات الصحية في وقت لاحق من الحياة & # x2014 بما في ذلك السمنة والربو والسكري & # x2014 اكتشاف استراتيجيات جديدة لحماية الأمعاء مهم بشكل خاص لمرضى سرطان الأطفال.

'' & # x201C عادةً ما تنطبق المعالجة البيولوجية على المياه الجوفية أو التربة ، لكننا طبقناها هنا على القناة الهضمية. نحن نعلم أن بعض البكتيريا يمكن أن تحطم علاجات السرطان السامة. تساءلنا عما إذا كان بإمكان هذه البكتيريا ، عن طريق تحطيم الأدوية ، حماية الميكروبات من حولها. توضح دراستنا أن الإجابة هي & # x2018yes. & # x2019 إذا تمكنت بعض البكتيريا من تكسير السموم بالسرعة الكافية ، فإن ذلك يوفر تأثيرًا وقائيًا للمجتمع الميكروبي. & # x201D

سينشر البحث في 26 مايو في المجلة mSphere.

هارتمان أستاذ مساعد في البيولوجيا البيئية في كلية نورث وسترن وماكورميك للهندسة. Ryan Blaustein ، زميل سابق لما بعد الدكتوراه في مختبر Hartmann & # x2019s ، هو المؤلف الأول للورقة. وهو الآن زميل ما بعد الدكتوراه في المعاهد الوطنية للصحة.

على الرغم من أن علاجات السرطان تنقذ الحياة ، إلا أنها تسبب أيضًا آثارًا جانبية قاسية ومؤلمة للغاية ، بما في ذلك مشاكل الجهاز الهضمي. يمكن للعلاجات الكيميائية ، على وجه الخصوص ، أن تمحو البكتيريا الصحية & # x201Cgood & # x201D في أمعاء الإنسان.

وقال هارتمان إن أدوية العلاج الكيميائي لا تفرق بين قتل الخلايا السرطانية وقتل الميكروبات. & # x201CM تساعد الميكروبات الموجودة في أمعائك على هضم طعامك والحفاظ على صحتك. يعتبر قتل هذه الميكروبات ضارًا بشكل خاص للأطفال لأن هناك & # x2019s بعض الأدلة على أن اضطراب ميكروبيوم الأمعاء في وقت مبكر من الحياة يمكن أن يؤدي إلى ظروف صحية محتملة في وقت لاحق من الحياة. & # x201D

من خلال العمل مع الدكتور باتريك سيد ، أستاذ طب الأطفال وعلم الأحياء الدقيقة والمناعة في كلية الطب بجامعة نورث وسترن فينبرغ ، تعلم مختبر هارتمان & # x2019s من راولتيلا بلانتيكولا. يحدث بشكل طبيعي في الأمعاء البشرية بكميات قليلة ، ويمكن لـ Raoultella planticola تحطيم عقار العلاج الكيميائي doxorubicin ، والذي تم إثباته في أبحاث أخرى.

لاختبار ما إذا كان تأثير الانهيار هذا يمكن أن يحمي الميكروبيوم بأكمله أم لا ، طور الفريق مجتمعات ميكروبية مبسطة ، والتي تضمنت أنواعًا مختلفة من البكتيريا الموجودة عادة في الأمعاء البشرية. تضمنت مجتمعات القناة الهضمية & # x201Cmock & # x201D سلالات بكتيرية (Escherichia coli و Klebsiella pneumoniae) جيدة في تكسير دوكسوروبيسين ، وسلالات (Clostridium innocuum و Lactobacillus rhamnosus) التي تكون حساسة بشكل خاص لدوكسوروبيسين وسلالة واحدة مقاومة (معوية). لدوكسوروبيسين لكنه لا يكسرها.

ثم كشف الفريق بعد ذلك مجتمعات الأمعاء الوهمية & # x201D لدوكسوروبيسين ووجدوا زيادة في معدل البقاء على قيد الحياة بين السلالات الحساسة. وخلص الباحثون إلى أنه من خلال تحلل دوكسوروبيسين ، فإن بعض البكتيريا تجعل الأدوية أقل سمية لبقية الأمعاء.

على الرغم من أن البحث يسلط الضوء على مسار جديد واعد لحماية مرضى السرطان ، إلا أن هارتمان يحذر من أن ترجمة النتائج الجديدة إلى علاجات لا تزال بعيدة المنال.

& # x2014 هناك العديد من التطبيقات النهائية التي ستكون رائعة لمساعدة مرضى السرطان & # x2014 خاصة مرضى الأطفال & # x2014 لا يعانون من مثل هذه الآثار الجانبية القاسية ، & # x201D قالت. & # x201C لكننا & # x2019 ما زلنا بعيدين عن جعل ذلك حقيقة واقعة. & # x201D


"تشغيل" البكتيريا بكفاءة لإنتاج مواد كيميائية عالية القيمة

صورة: رسم تخطيطي للمفتاح الجيني المصمم حسابيًا يوضح أنه عند إضافة إنتاج كيميائي محفز يتم تشغيله بشكل دائم (أعلى اليسار). يمكن أن يتيح هذا المفتاح إنتاجًا أكثر قابلية للتطوير والاستدامة. عرض المزيد

الائتمان: جامعة وارويك

- يتم حاليًا إنتاج معظم المواد الكيميائية عالية القيمة باستخدام الوقود الأحفوري - يمثل استخدام الكيمياء الصناعية للبترول 14٪ من جميع انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
- البديل المثير هو هندسة البكتيريا على أنها "مصانع خلايا" ذات مفتاح جيني يعيد توجيه الكيمياء لإنتاج مواد كيميائية عالية القيمة ، مثل الوقود الحيوي والبوليمرات والمستحضرات الصيدلانية.
- استخدام المواد الكيميائية باهظة الثمن لتشغيلها يحد بشدة من إمكاناتها التجارية ، وقد استخدم الباحثون نماذج رياضية لتطوير تبديل جيني جديد يمكن أن يستخدم مغذيات طبيعية رخيصة لتشغيل الإنتاج بشكل دائم - مما يقلل بشكل كبير من هذه التكلفة.
- يقرّب هذا من تحقيق الإنتاج الصناعي المستدام والمجدي اقتصاديًا للمواد الكيميائية عالية القيمة من المواد الأولية الرخيصة ، من أجل مستقبل أكثر خضرة وأنظف.

يمكن تصنيع المواد الكيميائية عالية القيمة المستخدمة في الوقود الحيوي والمستحضرات الصيدلانية من البكتيريا عن طريق تبديل الكيمياء لإنتاج منتجات جديدة. وجد باحثون من جامعة وارويك طريقة لخفض تكلفة تشغيل هذه المفاتيح بشكل كبير.

نستخدم المواد الكيميائية في كل شيء تقريبًا ، من المواد الحافظة للأغذية إلى الأدوية ومستحضرات التجميل ، وحتى الوقود الحيوي. العديد من هذه المشتقات البتروكيماوية ، وبالتالي فإن تركيبها غير مستدام. لذلك من الضروري البحث عن طرق بديلة لتصنيع المواد الكيميائية ، على نطاق صناعي ، بشكل مستدام ورخيص - مما يمهد الطريق لمستقبل أكثر خضرة وأنظف.

يمكن اعتبار البكتيريا مصانع كيميائية دقيقة في الطبيعة ، ويحاول العديد من الباحثين فهم كيف يمكن إعادة توصيل شبكتهم المعقدة من التفاعلات الكيميائية لتحويل المواد الأولية الرخيصة مثل الجلوكوز إلى منتجات كيميائية مفيدة لاستخدامنا. يعد استخدام المفاتيح الجينية لإعادة توجيه كيمياء البكتيريا تطورًا مثيرًا في مجال البيولوجيا التركيبية.

عادة ، يتم تشغيل المفاتيح الجينية عن طريق إضافة مادة كيميائية تسمى المحرض. ومع ذلك ، فإن المحرضات باهظة الثمن ، وغالبًا ما تحتاج إلى إضافتها باستمرار لمنع التبديل مرة أخرى ، على غرار "مفتاح الضوء مع زنبرك فيه" الذي ينطفئ عندما تتركه. وهذا يجعل نهج التحويل هذا مكلفًا وبالتالي فإن التوسع في الإنتاج الصناعي غير مجدٍ اقتصاديًا.

في الورقة البحثية ، `` تصميم مفتاح استقلابي لا رجعة فيه للحث القابل للتطوير للإنتاج الكيميائي الميكروبي '' ، المنشور في المجلة اتصالات الطبيعة، وجد باحثون من كلية الهندسة بجامعة وارويك طريقة رخيصة لتحويل البكتيريا إلى وضع إنتاج كيميائي.

بقيادة الدكتور أحمد مانان والبروفيسور ديكلان ج. بيتس من مركز علم الأحياء التركيبي التكاملي التابع لوارويك في كلية الهندسة ، بحث بحث نظري جديد في كيفية استخدام المستشعرات الحيوية من الإشريكية القولونية التي تستجيب للمغذيات الطبيعية الرخيصة مثل حمض الأوليك لإنشاء محولات. . باستخدام النماذج الرياضية والمبادئ الهندسية لحلقات التحكم في التغذية الراجعة ، التي يشيع استخدامها في أنظمة التحكم في الطيران ، اكتشفوا كيفية تصميم مفتاح جيني في البكتيريا يزيل "الزنبرك" المرتد ، بحيث لا يمكن تغيير إلا نبضة من عنصر غذائي طبيعي رخيص. الخلية إلى وضع إنتاج المواد الكيميائية بشكل دائم - خفض التكاليف بشكل كبير.

يعلق الدكتور أحمد منان ، من مركز البيولوجيا التركيبية التكاملية في وارويك بكلية الهندسة قائلاً: "إن القدرة على تحويل البكتيريا إلى وضع إنتاج كيميائي بشكل دائم هي خطوة كبيرة إلى الأمام لتحقيق زيادة مجدية اقتصاديًا في الإنتاج الكيميائي من الميكروبات. يجب أن يكون التبديل أن تكون قابلة للتطبيق على نطاق واسع على العديد من الميكروبات ذات الصلة بالصناعة وعلى تخليق أي مادة كيميائية تقريبًا - وهو مكون متعدد الاستخدامات في مجموعة أدوات البيولوجيا التركيبية. وستكون الخطوات التالية لبحثنا هي الكشف عن المبادئ لفهم مكان تطبيق هذه "حركة المرور" في خريطة الطريق الكيميائية خفيفة "وربما تتطلع إلى التعاون مع الصناعة حيث يمكن دمجها بسهولة في عمليات التخمير الحالية."

يضيف البروفيسور ديكلان بيتس ، من مركز علم الأحياء التركيبي التكاملي التابع لوارويك في كلية الهندسة: "باستخدام تقنيات البيولوجيا التركيبية المتطورة ، وضع عملنا إطار عمل لبناء مفتاح التبديل المقترح الذي لا رجعة فيه في المختبر. ولا يقتصر عملنا على تغيير الطريقة الصناعات الكيميائية تصنع مواد كيميائية عالية القيمة ، كما أنها تساهم في رؤية أكبر لكيفية انتقال البشر بعيدًا عن الاعتماد على الموارد غير المتجددة ، لتمكين التوليف المستدام للمواد الكيميائية الحيوية ، من أجل مستقبل أكثر خضرة وأنظف. "

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة إلى EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


يتطلع العلماء إلى البيولوجيا التركيبية والطباعة ثلاثية الأبعاد لدعم الحياة في الفضاء

بينما تستعد وكالة ناسا لإعادة البشر إلى القمر أو حتى إلى المريخ ، سيحتاجون إلى معرفة كيفية الحفاظ على صحة هؤلاء البشر وآمنهم بعيدًا عن الأرض الغنية بالموارد.

لن يكون من الممكن حزم كل ما يحتاجون إليه على مدار المهمة ، وستكون مهمات إعادة الإمداد مثل تلك التي تحافظ على مخزون محطة الفضاء الدولية (ISS) باهظة الثمن وطويلة للغاية.

ما يمكن لرواد الفضاء أن يحزموه هو مورد الأرض الفريد المتجدد: الخلايا. على سبيل المثال ، يمكن إعادة برمجة خلايا الفطريات والبكتيريا باستخدام الحمض النووي الاصطناعي لإنتاج مواد معينة ، مثل البلاستيك الحيوي. يمكن بعد ذلك إدخال هذه المواد في طابعات ثلاثية الأبعاد لتصنيع الأشياء التي قد يحتاجها رواد الفضاء أثناء رحلات الفضاء - كل شيء من الأجهزة والأجهزة الطبية إلى الأدوية والطعام.

في مقال رأي منشور على الإنترنت في الاتجاهات في التكنولوجيا الحيوية، باحثون من اتحاد أبحاث الفضاء بالجامعات (USRA) ، ومختبر MIT Lincoln ، و NASA يحددون الطرق التي يمكن أن تدعم بها البيولوجيا التركيبية والطباعة ثلاثية الأبعاد الحياة أثناء البعثات البشرية في الفضاء السحيق. ولكن لجعل هذه الأفكار حقيقة واقعة ، تسعى ناسا للحصول على المساعدة.

يقول بيتر كار ، الذي يعمل في مجموعة أنظمة وتقنيات الهندسة الحيوية بمختبر لينكولن: "مقال الرأي الخاص بنا هو دعوة للعمل لإشراك مجتمعات بيولوجيا (افعلها بنفسك) ومجتمعات الإبداع". يتيح مجتمع البيولوجيا DIY لأي شخص في الجمهور مهتم بإجراء الهندسة البيولوجية. يعمل المجتمع خارج الأوساط الأكاديمية أو الصناعية التقليدية وينشر المعرفة من خلال المصادر المفتوحة. تقوم العديد من مجموعات علماء الأحياء DIY بتشغيل مساحات تصنيع توفر المعدات والإمدادات للأعضاء لإجراء التجارب بأنفسهم.

يقول كار: "تقوم هذه المجتمعات الانتقائية المنفصلة بعمل حيوي في أماكن غير تقليدية طوال الوقت وهي رائدة في النماذج الأولية السريعة وتقنيات التطوير بموارد محدودة. هناك أوجه تشابه هنا مع الفضاء واحتياجات أطقم ناسا". "لكن هذا يتطلب أيضًا من منظمات مثل منظمتنا ووكالة ناسا أن تتواصل معهم بشكل أعمق في عملية ثنائية الاتجاه ، لذلك هناك طريق حقيقي لإيصال عمل الناس إلى الفضاء. لقد بدأنا للتو."

تعد الطابعات ثلاثية الأبعاد من العناصر الأساسية الشائعة في مساحات التصنيع. أثبتت التجارب التي تم إجراؤها على محطة الفضاء الدولية باستخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد فائدتها في تصنيع العناصر عند الطلب ، مثل استبدال الأجهزة. ولكن إذا كانت الطباعة ثلاثية الأبعاد أداة موثوقة للمهام الطويلة في الفضاء ، تظهر مشكلة جديدة: الحاجة إلى تزويد السفينة بالمواد الأولية للطابعات.

لتلبية هذه الحاجة ، يتصور المؤلفون استخدام البيولوجيا التركيبية لإنتاج "حبر" بيولوجي مخصص للطباعة ثلاثية الأبعاد مهما كان ما قد يلزم على مدار المهمة. مثل هذه العملية من شأنها أن تمنح العلماء "الاستقلالية للتصميم للمجهول" ، كما تقول جيسيكا سنايدر ، باحثة وكالة USRA التي تقود مهمة البيولوجيا التركيبية في خدمات المهام الأكاديمية التابعة لوكالة ناسا.

يمكن للكائنات الحية تحويل ضوء الشمس والنيتروجين والماء إلى منتجات نهائية. يمكن للهندسة الحيوية إعادة برمجة المنطق الداخلي لخلايا هذه الكائنات لإنتاج المركبات المستهدفة. يمكن رقمنة اللبنات الأساسية لتحرير هذه الخلايا وإرسالها إلى طاقم الفضاء في شكل تسلسل DNA ، والذي يمكن تصنيعه وتجميعه وإدخاله في كائن حي على متن السفينة. يقول ديفيد والش ، مهندس بيولوجي في مختبر لينكولن: "الفكرة هي ما نسميه محول" بت إلى بيولوجيا ".

إليك مثال واحد على كيفية تنفيذ هذه الرؤية: لنفترض أن رواد الفضاء واجهوا موقفًا حدث في محطة الفضاء الدولية في عام 2007 - تمزق لوح شمسي ويحتاج إلى حزام إصلاح. على الأرض ، يقوم علماء الأحياء الاصطناعية ، سواء أكانوا من النوع DIY أم لا ، بتصميم واختبار البرامج الجينية التي توجه البكتيريا لإنتاج المادة الأولية للبوليمر للطباعة ثلاثية الأبعاد. (يمكن أن يتم هذا العمل أيضًا قبل ظهور الحاجة أثناء مهمة الفضاء بوقت طويل.) يعمل مجتمع المصنّعين على تصميم حزام من تلك المواد. يتم إرسال هذه التعليمات الجينية وإرشادات الطباعة ثلاثية الأبعاد رقميًا من الأرض إلى طاقم الفضاء. يقوم الطاقم بإعادة إنتاج البرنامج الجيني ، وتتكاثر البكتيريا وتصنع المواد الخام ، والتي تُستخدم لطباعة الحزام ثلاثي الأبعاد. في نهاية دورة حياة المنتج ، يتم استرجاع الجزء وهضمه ، ويمكن صنع جزء جديد.

يقول والش: "لدينا قوة المعلومات الرقمية. يمكننا تصميم جميع مكامن الخلل على الأرض والعمل على حلها ، وببساطة إرسال التعليمات إلى الفضاء".

يمكن استخدام نفس المبادئ لإدخال الحمض النووي في الكائنات الحية في الفضاء لصنع مركبات مستهدفة للأغذية أو الأدوية ، والتي إذا تم إحضارها مباشرة من الأرض ستتحلل بمرور الوقت من الإشعاع في الفضاء.

سيكون رواد الفضاء قادرين على إجراء هذه التجارب البيولوجية المعقدة باستخدام أجهزة ميكروفلويديك المطبوعة ثلاثية الأبعاد. تتحكم هذه الأجهزة الصغيرة "المختبرية على رقاقة" تلقائيًا في تدفق وخليط السوائل عبر القنوات الدقيقة وتستخدم فقط كميات ضئيلة من المواد الكيميائية لتشغيل مئات الإجراءات الحيوية بالتوازي في ثوانٍ. سيتم إرسال التعليمات الجينية مباشرة إلى الإلكترونيات التي تتحكم في أجهزة ميكروفلويديك ، مما يمكنها من اتباع "الوصفة" الرقمية بدقة لتركيب جزيئات الحمض النووي.

في وقت سابق من هذا العام ، قادت لين روتشيلد ، العالمة في مركز أبحاث ناسا أميس والتي شاركت في كتابة مقال الرأي ، فريقًا أجرى أولى تجارب البيولوجيا التركيبية في الفضاء. هدفت التجارب إلى اختبار مدى جودة امتصاص البكتيريا في الفضاء للحمض النووي الاصطناعي المُدخل في جينومها ، ومدى جودة إنتاج البكتيريا للبروتينات ، بينما يتم نسجها لمحاكاة الجاذبية الصغرى (ما يواجهه رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية) ، والجاذبية القمرية ، ومستويات الجاذبية المريخية. أجريت التجارب على حمولة PowerCell على متن بعثة الأقمار الصناعية الألمانية Eu: CROPIS (Euglena والإنتاج العضوي المتجدد المشترك للأغذية في الفضاء).

ومع ذلك ، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه ، سواء في تجربة البيولوجيا التركيبية أو اكتشاف جميع المعلمات التي تجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام المواد الحيوية ممكنة في الفضاء. يقول كار: "على سبيل المثال ، ستحتاج البكتيريا إلى الماء وستشغل المساحة التي تحتاجها في البيئة المناسبة للعيش وستنتج نفايات. ما زلنا بحاجة إلى وضع هذه الأفكار في مواجهة قيود العالم الحقيقي".

لكن هناك حاجة ملحة لتطوير المفاهيم الآن. إذا أمكن إثبات وتقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد والبيولوجيا التركيبية في الوقت المناسب للمهام القريبة من الأرض ، والتي لا يزال من الممكن إرسال الإمدادات منها بسرعة نسبيًا ، فيمكن الاعتماد عليها في مهمة طويلة المدى إلى المريخ.

"توفر تقنيات التصنيع المرنة تكملة ممتازة لسلاسل التوريد القائمة على الأرض للوجهات التي تفصلنا عنها أيام ، مثل محطة الفضاء الدولية والبنية التحتية القمرية المحتملة ، على سبيل المثال. دعنا نستفيد من هذا التكرار لبناء قدرة تصنيع في الفضاء لمواصلة عملنا في الفضاء بأمان أكثر "، كما يقول سنايدر. يمكن لعلماء الأحياء والصناع في `` افعل ذلك بنفسك '' المساعدة اليوم من خلال نشر تصميماتهم للمنتجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد أو أجهزة ميكروفلويديك أو الحمض النووي الاصطناعي على مستودعات مفتوحة المصدر وعن طريق اختبار التصميمات المنشورة وتحريرها. ويضيف سنايدر: "إذا استخدمت المجتمعات الحيوية في DIY ، وتحسينها بشكل متكرر ، ووافقت عليها في النهاية ، فإن هذه التقنية قد تم تحسينها بشكل أقوى مما يمكن أن يقدمه معظم الأفراد أو الفريق دون بذل جهد كبير. تعد الشراكة مع هذه المجتمعات ميزة لا تقدر بثمن". يمكن للأشخاص المهتمين أيضًا رؤية التحديات المئوية التابعة لوكالة ناسا ، والتي تحدد الخطوط العريضة للمشكلات التي تسعى ناسا للحصول على مساعدة الجمهور لحلها.

"كثيرًا ما نسمع عن المهندس الذي ألهمته وكالة ناسا في شبابهم ويعمل هناك الآن. ولكن ماذا عن الأشخاص البيولوجيين الذين استلهموا من هذه الأفكار العظيمة؟ كيف يمكنهم المساهمة؟ الآن هي فرصة لنقل أفكارهم إلى الفضاء ، "كار يقول. "هناك الكثير من الفرص للابتكار."


أفضل إصدار لي التالي: كيف نعيش إلى الأبد

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

أبراج جورج تشيرش فوق معظم الناس. لديه لحية رمادية طويلة لمعالج من ميدل ايرث ، وعمل حياته - دس وحث الحمض النووي والتنقيب في أسرار الحياة - ليس بعيدًا عن عالم حيث السحر العميق حقيقي. يرأس عالم الوراثة البالغ من العمر 63 عامًا واحدًا من أكبر مختبرات الأحياء الأكاديمية وأفضلها تمويلًا في العالم ، ويقع مقره في الطابق الثاني من مبنى الأبحاث الجديد الضخم من الزجاج والفولاذ في كلية الطب بجامعة هارفارد. كما أنه أعار اسمه كمستشار أو داعم لعشرات المشاريع والاتحادات والمؤتمرات والشركات الناشئة والشركات الناشئة التي تشترك في مهمة لدفع الحافة الخارجية لكل شيء ، من الروبوتات الحيوية إلى إعادة الماموث الصوفي. وفي صباح يوم مشبع بالبخار من شهر أغسطس في الصيف الماضي ، يريد أن يتحدث معي عن الحافة الخارجية لـ لي الحياة.

تشرش هو أحد قادة مبادرة تسمى Genome Project-Write ، أو GP-Write ، والتي تنظم جهود مئات العلماء حول العالم الذين يعملون على تصنيع الحمض النووي لمجموعة متنوعة من الكائنات الحية. لا تزال المجموعة تناقش إلى أي مدى يجب أن تذهب في تصنيع الحمض النووي البشري ، لكن تشيرش - يقف في مكتبه مرتديًا معطفًا رياضيًا مجعدًا ، خلف المنصة النحيلة التي يستخدمها كمكتب - يقول إن مختبره قد اتخذ بالفعل قراره بشأن هذه المسألة: "نريد توليف نسخ معدلة من جميع الجينات في الجينوم البشري في السنوات القليلة المقبلة."

تتمثل خطته في تصميم وبناء سلاسل طويلة من الحمض النووي البشري ، ليس فقط عن طريق قص ولصق إصلاحات صغيرة - وهي ممارسة روتينية الآن ، بفضل التقنيات الحديثة مثل Crispr التي تسمح للعلماء بتحرير الحمض النووي بتكلفة زهيدة وبسهولة - ولكن عن طريق إعادة كتابة الامتدادات الحرجة للكروموسومات يمكن بعد ذلك ربطها مع جينوم طبيعي. إذا نجحوا ، فسيكون ذلك بمثابة قفزة مذهلة في الطموح والتعقيد من جينومات البكتيريا والخميرة التي عمل العلماء حتى الآن على تركيبها. يقول تشيرش: "ما نخطط للقيام به يتجاوز بكثير كريسبر". "إنه الفرق بين تحرير كتاب وكتابة كتاب."

في تأليف الكتاب ، يأمل تشرش في ثني السرد البشري لإرادته. من خلال استبدال النوكليوتيدات المختارة - ACGTs للحياة ، المنتشرة في جميع أنحاء الكروموسومات - وتغيير ، على سبيل المثال ، من T إلى A أو C إلى G في عملية تسمى إعادة الترميز ، تتصور الكنيسة أن تكون قادرة على جعل الخلايا مقاومة للفيروسات. "مثل فيروس نقص المناعة البشرية والتهاب الكبد بي" ، كما يقول.

"ونزلات البرد؟" أسأل.

أومأ برأسه نعم ، مضيفًا أنهم أعادوا بالفعل تشفير البكتيريا لتكون مقاومة للفيروسات. يقول: "إنه في بحث نشرناه في عام 2016".

لقد ابتكرت تشيرش وآخرون ممن يعملون على تخليق الحمض النووي البشري جهودهم الخاصة داخل GP-Write - مشروع الجينوم البشري - الكتابة ، أو HGP-Write - وآفاق نجاحه تثير قلق علماء الأحياء حول إمكانية علاج الأمراض وإنشاء الهندسة الحيوية الخلايا وربما حتى الأعضاء. ومع ذلك ، فإن النقاد يخدشون رؤوسهم بشأن التحديات التقنية ، والتكاليف الباهظة ، والتطبيق العملي. يقر فرانسيس كولينز ، مدير المعاهد الوطنية للصحة ، بأن تركيب جينوم بشري كامل أمر ممكن ، لكنه لا يرى الهدف تمامًا. يقول: "أعتقد أنه من المحتمل أن يكون ضمن نطاق الاحتمالات ، مع توفير الوقت والمال الكافيين ، ولكن لماذا تريد أن تفعل ذلك؟ يمكن الوصول إلى تقنيات مثل Crispr بشكل أكبر في الوقت الحالي ".

هناك أيضًا أخلاقيات استخدام تقنية جديدة قوية للتغلب على الترميز الأساسي للحياة. من الناحية النظرية ، يمكن للعلماء يومًا ما تصنيع الجينوم ، البشري أو غير ذلك ، بنفس سهولة كتابة التعليمات البرمجية على الكمبيوتر ، وتحويل الحمض النووي الرقمي على الكمبيوتر المحمول لشخص ما إلى خلايا حية ، على سبيل المثال ، الانسان العاقل. وإدراكًا منهم للجدل ، أصر تشرش وزملاؤه في HGP-Write على أن سك الناس ليس هدفهم ، على الرغم من أن الجرأة المطلقة في إجراء تغييرات على نطاق الجينوم على الحمض النووي البشري كافية لإثارة الجدل. يقول هنري غريلي ، عالم الأخلاقيات البيولوجية والباحث القانوني بجامعة ستانفورد: "ينزعج الناس إذا وضعت جينًا من نوع آخر في شيء تأكله". "الآن نحن نتحدث عن إعادة كتابة شاملة للحياة؟ سوف يقف الشعر في النهاية. سيتم رفع المداعبات ".

تثير الجماهير أم لا ، تشيرش وفريقه يمضون قدمًا. "نريد أن نبدأ بالكروموسوم Y البشري" ، كما يقول ، مشيرًا إلى الكروموسوم الجنسي الذكري ، والذي أوضح أنه يحتوي على أقل عدد من الجينات من 23 كروموسومًا للشخص وبالتالي يسهل بناؤه. وهو لا يريد تخليق أي كروموسوم Y فقط. يريد هو وفريقه استخدام تسلسل الكروموسوم Y من جينوم شخص حقيقي: لي.

"هل تستطيع فعل ذلك؟" أنا أتألم.

يقول ، "بالطبع نستطيع - بإذن منك" ، مذكّرًا أنه سيكون من السهل الوصول إلى الجينوم الخاص بي ، حيث تم تخزينه رقميًا في أجهزة كمبيوتر مختبره كجزء من جهد أطلقه في عام 2005 بعنوان مشروع الجينوم الشخصي . (الإفصاح: لقد قدمت تقريرًا عن تشرش لأكثر من عقد من الزمان ، وهو يعمل كواحد من 17 مستشارًا غير مدفوع الأجر لسلسلة مؤتمرات صغيرة أديرها تسمى Arc Fusion.) وقد جند PGP الآلاف من الأفراد للمساهمة بجينومهم الكامل في قاعدة بيانات عامة مفتوحة للباحثين وأي شخص آخر ، وقد تبرعت بجينومي لهذا الجهد.

يقول أندرو هيسيل: "أريد أن أكرر أننا لا ننجب أطفالًا بشريين". "هذا العمل سيأتي لجيل آخر."

بإذن مني وبضع نقرات على لوحة المفاتيح الخاصة به ، يمكن لـ Church بسهولة أن يسحب مخططًا رقميًا لكروموسوم Y الخاص بي. ثم يمكن للعلماء في معمله بناء نسخة متماثلة اصطناعية ، فقط مع اختلاف: سيعيدون ترميز تسلسلي ليكون مقاومًا للفيروسات. وإذا نجحوا — وإذا قاموا بإعادة تشفير بقية الكروموسومات الخاصة بي وأدخلوها في خلية بشرية ، فسيكون كلاهما ضخمين إذا—يمكنهم نظريًا زرع هذه الخلايا "المصححة" داخل جسدي ، حيث نأمل أن تتكاثر ، وتغير طريقة عمل جسدي ، وتقلل من خطر الإصابة بعدوى فيروسية.

لكننا نتقدم على أنفسنا. في الوقت الحالي ، تريد تشيرش فقط إعادة ترميز وتوليف كروموسوم Y الخاص بي. قال لي: "سيكون هذا قليلًا منك ، وسنبقى في المجمد بمجرد أن ننتهي". نسخة محسّنة مني يمكن إذابتها يومًا ما ، في غضون اثني عشر أو مائة أو ألف سنة. بحلول ذلك الوقت ، تشرح تشيرش ، قد يكون العلماء قادرين على التلاعب بجينومي. يمكنهم أن يجعلوني أقوى أو أسرع أو ربما حتى أكثر ذكاءً. ربما يمكنهم بناء نسخة جديدة تمامًا مني. من يدري ما الذي سيكون ممكنًا في المستقبل؟

تعود جذور البيولوجيا التركيبية ، وهي مجال مكرس لفهم اللبنات الأساسية للحياة وإعادة هندستها ، إلى أوائل السبعينيات ، عندما توصل فريق بقيادة عالم الكيمياء الحيوية في جامعة ستانفورد بول بيرج إلى اكتشافات رئيسية حول كيفية قص ولصق تسلسلات الحمض النووي القصيرة من كائن حي واحد ( كل شيء من البكتيريا إلى البشر) إلى آخر (عادة بكتيريا). سمحت هذه الممارسة للعلماء باستخدام آلية خلية ميكروب لانتاج البروتينات التي أصبحت في بعض الحالات أدوية رائجة مثل Epogen ، والتي تستخدم الآن بشكل شائع لتعزيز إنتاج خلايا الدم الحمراء لأولئك الذين يعانون من فقر الدم أو الذين يخضعون لغسيل الكلى - أو ، في الجولة. فرنسا.

بدأت البيولوجيا التركيبية على نطاق واسع بالترسخ في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، عندما بدأ العلماء في تصنيع فيروسات كاملة. في عام 2010 ، أنشأ فريق في معهد J.Craig Venter أول خلية بكتيرية ذاتية التكاثر. لكن لا شيء حتى الآن اقترب من طموحات GP-Write أو HGP-Write ، التي أخذت أسمائها من مشروع الجينوم البشري الأصلي ، المسعى الهائل الذي تسلسل 3 مليارات زوج من الحروف التي تشكل الجينوم البشري بتكلفة 2.7 مليار دولار لدافعي الضرائب في الولايات المتحدة. (تم الانتهاء من جهد خاص ثان بقيادة عالم الوراثة كريج فينتر مقابل أموال أقل بكثير.) "نحن ننظر إلى HGP-Write كحلقة نهائية" لمشروع الجينوم البشري ، كما يقول عالم الوراثة أندرو هيسيل ، أحد مؤسسي GP-Write و HGP-Write وباحث سابق في وحدة علوم الحياة في شركة البرمجيات العملاقة Autodesk.

كان هيسيل ، البالغ من العمر 54 عامًا وله لحية شائكة قصيرة ، أول من أخبرني عن مشروع الجينوم البشري الجديد هذا قبل ثلاث سنوات عندما زرته في كوخه الصغير غير التقليدي بالقرب من النهر الروسي في مقاطعة سونوما بكاليفورنيا. أثناء احتساء النبيذ الأحمر حول موقد خشبي في ليلة ضبابية ، تحدث هيسل عن كيف بدأ حياته المهنية في أواخر التسعينيات في شركة أمجين لتحليل البيانات من جهد فينتر الخاص للجينوم البشري. "حتى عندما كنا ننهي HGP-Read ،" يقول ، مستخدماً اختصاره هو وزملائه لمشروع الجينوم البشري الأصلي ، "كنت أتطلع إلى رؤية كيف يمكننا البدء في صنع الأشياء. ثم انتظرت وانتظرت ، لكن لم يحدث شيء. لقد كان فشلا للخيال. لقد وصلت التكنولوجيا إلى نقطة معينة ، لكن لم يكن أحد يتحرك عليها ". لقد شاهد ظهور تقنية كريسبر وتقنيات تحرير الجينات الأخرى ، لكنها لم ترضيه.

في عام 2015 ، أصبح Hessel أكثر جدية بشأن مشروع "الكتابة" وطلب من Church المساعدة في قيادة الجهود التي أصبحت GP-Write (و HGP-Write). أصر تشرش على أنهما يجندان أيضًا عالم أحياء اصطناعي بارز آخر ، وهو جيف بويك من جامعة نيويورك ، كقائد مشارك. تتراوح أهداف المجموعة من تسهيل تطوير تقنيات أسرع وأرخص إلى تطوير إطار عمل أخلاقي لتوليف الحياة. لديهم أيضًا إجابة جاهزة للسؤال الذي طرحه فرانسيس كولينز وآخرون حول تركيب الجينوم البشري - لماذا تفعل ذلك؟ يتحدث Hessel و Church والشركة عن إمكانية حدوث تغييرات كبيرة على مستوى الجينوم يمكن استخدامها لتطوير خلايا مقاومة للفيروسات وأعضاء اصطناعية وأدوية جديدة. ومع ذلك ، فهم يرسمون الخط في احتمال تنشيط جينوم اصطناعي في خلايا الخط الجرثومي يمكن أن يغير الجينات التي نمررها إلى أطفالنا. يصر هيسل على ذلك قائلاً: "نحن لا نصنع أطفالًا بشريين - نحن فقط نكتب الجينوم". "العمل الحقيقي لصنع طفل اصطناعي سيأتي لجيل آخر."

في مايو الماضي ، عقدت GP-Write أول اجتماع عام لها في مركز الجينوم في نيويورك. اجتذب التجمع الذي استمر ليومين 250 عالما وخبراء في الأخلاق والمحامين والمعلمين والعلماء المواطنين والفنانين وصانعي السياسات والشركات من 10 دول ، بما في ذلك الصين واليابان وبريطانيا وكندا وسنغافورة والولايات المتحدة. تضمنت جلسات مثل "صفيف التضخيم متساوي الحرارة لتوسيع تسلسل الجينات الاصطناعية" و "توقع وفهم أنظمة الحوكمة."

With large-scale recoding, you have to wonder whether new and improved genomes would make us someone different altogether.

The conference featured presentations about pilot projects that the organization was considering or endorsing. For instance, Columbia University’s Harris Wang wants to bioengineer mammalian cells that can become nutrient factories churning out the critical amino acids and vitamins we otherwise have to consume through food. Another project, presented by June Medford of Colorado State University, aims to reengineer the genomes of plants so they can filter water or detect chemicals. At the meeting, she showed a slide of an airport gate encircled by explosive-detecting shrubbery.

The GP-Write movement had its latest big breakthrough last year, when Boeke’s lab at NYU announced it had fully synthesized six of the 16 chromosomes that make up the genome of baker’s yeast. Boeke plans to finish all 16 chromosomes by the end of this year. “We’re setting out to untangle, streamline, and reorganize yeast’s genetic blueprint,” he says. “Once we’ve synthesized all 16 chromosomes, we plan to create a functioning yeast cell.”

That will be a remarkable accomplishment, but given that yeast has only about one-­quarter as many genes as people do, it’s still not anything close to the complexity of synthesizing all or even part of a human genome. The longest of the 16 synthesized chromosomes in Boeke’s yeast genome will measure around 1 million base pairs—base pairs being the doubling-­­up of genetic letters into pairs that run along each strand of DNA’s double helix, like steps in a ladder. The Y chromosome comes in at 59 million base pairs, and that’s among the shortest of a human’s 23 chromo­somes. Some scientists have estimated that writing an entire human genome, all 3 billion base pairs, could cost upwards of $3 billion, which is not only prohibitively expensive but probably unnecessary. “We don’t need to rewrite everything” to make serious changes to the chromosome, Church explains. “Just those parts that are important.”

In 2002, as part of WIRED's effort to explain and humanize the newfangled technology of genomic sequencing, I was one of the first people to be genetically sequenced. Back then, my genomic “read” seemed highly personal, claiming to reveal secrets about my health buried deep in my DNA. As part of my reporting, a San Diego–based company named Sequenom tested me for several hundred DNA markers associated with disease risk factors, ranging from Alzheimer’s and hypertension to some forms of cancer. For instance, Sequenom’s scientists found a mutation on my sixth chromosome that was later found to be associated with a slightly higher risk of heart attack. Like a lot of people who’ve had their genomes sequenced through services like 23andMe, I mentally stored this information under “good to know.” Fifteen years (and zero heart attacks) later, as I contemplated my own personal HGP-Write project, I wondered how it would feel to know that a little piece of me was being partially copied and recoded to be new and improved.

After meeting with Church last summer, I sat down with his team in a conference room at Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, a glass and steel marvel situated behind the Church lab’s main building. The team included four researchers and 32-year-old Albanian postdoc Eriona Hysolli. With dark, braided hair and a serious demeanor, Hysolli walked me through how they’ll build my Y chromosome.

Gene synthesis, Hysolli says, starts with the researchers looking up a subject’s digi­tal genetic sequence on a computer. On a glowing screen she shows me a segment of my sequence, which looks like this:

CGG CGA AGC TCT TCC TTC CTT TGC ACT GAA AGC TGT AAC TCT AAG TAT CAG TGT GAA ACG GGA GAA AAC AGT AAA GGC AAC GTC CAG GAT CGA GTG AAG CGA CCC ATG AAC GCA TTC ATC GTG TGG TCT CGC GAT CAG CGG CGC AAG ATG GCT CTA GAG AAT CCC CGA

… and so on. Hysolli explains that, rather than synthesize every nucleotide in my Y chromosome, Church’s team will focus on discrete genetic units, called codons, that determine what kind of amino acids (and, eventually, proteins) are produced by a cell. Each codon is made up of three nucleotides (ATG, for example, or TCC), and by swapping out certain nucleotides in the codons, Hysolli and her team hope to make genome-wide changes that would make a cell resistant to viruses. Once the targeted codons have been recoded, ­Hysolli will send this genetic blueprint to a company, Integrated DNA Technologies, which creates small, custom-made segments of actual DNA called oligo­nucleotides, or oligos. IDT will then freeze-dry the oligos and mail them back to Hysolli. She and her researchers will thaw out the oligos and connect them into longer and longer sequences, with each new segment bringing them one step closer to a completed chromosome.

That’s the plan, anyway, and it will take up to a year to complete the process. In the meantime, I ask Hysolli to provide a less ambitious demonstration of how writing DNA works. At first, she is reluctant to do something that she considers easy (for her). But she soon agrees, and we choose a segment of DNA on my sixth chromosome that contains the mutation revealed by my earlier genetic tests—the one that’s associated with a modest risk of heart attack. To create a new and improved version of this gene fragment, Hysolli corrects the risky mutation on her computer. She also recodes this morsel of DNA to be resistant to viruses, just for good measure. Hysolli then orders the recoded DNA fragment from IDT, which arrives several days later.

Once they receive the fragment, the researchers clone it and drop it into the cytoplasm of بكتريا قولونية, a well-known bacterium. Geneticists frequently do this to take advantage of E. coli’s rapid rate of reproduction. After several days, the بكتريا قولونية have churned out enough of my altered chromosome that Hysolli sends me a picture of the bacteria in a petri dish containing these tiny bits of me. Not that I can actually see the nano-size flecks. But I can view a splattering of green glowing blobs inside the cell. The blobs are produced by a “fluorescent reporter gene,” taken from a jellyfish, that is routinely used by scientists to tag genes in this way. The smudgy, brown-green soup of microbes speckled with glowing dots is a long way from being a recognizable version of me, but it did make me squirm a bit to think that one day I might be looking at a more complete version of my full genome in a petri dish, all gussied up.

The final step in creating this synthetic mini-me is to swap the repaired gene into cells to be stored. Not just any cells, though—scientists use my white blood cells to make what are called induced pluripotent stem cells, meaning that they can grow into any cell in the body. (This bioengineering is done by a Madison, Wisconsin, company called Cellular Dynamics International, which creates stem cells for pharmaceutical and academic outfits.) Someday these cells could be injected into my body in the hope of changing the way my body works, but right now, “getting edited cells in the body is super challenging,” Hysolli says. “For many tissues, you can inject them directly and wait to see if a small percentage survive and thrive. Or you can inject blood stem cells intravenously and see if they home in on the bone marrow or the thymus.” Until that technology matures, these doctored cells of mine will be frozen and stored, to be accessed by me or perhaps someone else in the future.

Church cautions that the technology behind genome-scale synthetic biology remains nascent, difficult, and expensive. GP-Write has yet to raise significant funds, though individual labs like Church and Boeke’s have raised money from govern­ment agencies such as the National Science Foundation and Darpa, the Pentagon’s R&D arm. For now, I’m not holding my breath that I’ll get my recoded Y chromosome­—or the tiny fix that Hysolli made on my chromosome six—implanted in me anytime soon. But they’ll be sitting there in the deep freeze should the raft of ethical, technical, and safety issues ever get worked out.


محتويات

The exact compounds an organism is exposed to will be largely unpredictable, and may differ widely over time these are major characteristics of xenobiotic toxic stress. [1] The major challenge faced by xenobiotic detoxification systems is that they must be able to remove the almost-limitless number of xenobiotic compounds from the complex mixture of chemicals involved in normal metabolism. The solution that has evolved to address this problem is an elegant combination of physical barriers and low-specificity enzymatic systems.

All organisms use cell membranes as hydrophobic permeability barriers to control access to their internal environment. Polar compounds cannot diffuse across these cell membranes, and the uptake of useful molecules is mediated through transport proteins that specifically select substrates from the extracellular mixture. This selective uptake means that most hydrophilic molecules cannot enter cells, since they are not recognised by any specific transporters. [2] In contrast, the diffusion of hydrophobic compounds across these barriers cannot be controlled, and organisms, therefore, cannot exclude lipid-soluble xenobiotics using membrane barriers.

However, the existence of a permeability barrier means that organisms were able to evolve detoxification systems that exploit the hydrophobicity common to membrane-permeable xenobiotics. These systems therefore solve the specificity problem by possessing such broad substrate specificities that they metabolise almost any non-polar compound. [1] Useful metabolites are excluded since they are polar, and in general contain one or more charged groups.

The detoxification of the reactive by-products of normal metabolism cannot be achieved by the systems outlined above, because these species are derived from normal cellular constituents and usually share their polar characteristics. However, since these compounds are few in number, specific enzymes can recognize and remove them. Examples of these specific detoxification systems are the glyoxalase system, which removes the reactive aldehyde methylglyoxal, [3] and the various antioxidant systems that eliminate reactive oxygen species. [4]

The metabolism of xenobiotics is often divided into three phases:- modification, conjugation, and excretion. These reactions act in concert to detoxify xenobiotics and remove them from cells.

Phase I – modification Edit

In phase I, a variety of enzymes act to introduce reactive and polar groups into their substrates. One of the most common modifications is hydroxylation catalysed by the cytochrome P-450-dependent mixed-function oxidase system. These enzyme complexes act to incorporate an atom of oxygen into nonactivated hydrocarbons, which can result in either the introduction of hydroxyl groups or N-, O- and S-dealkylation of substrates. [5] The reaction mechanism of the P-450 oxidases proceeds through the reduction of cytochrome-bound oxygen and the generation of a highly-reactive oxyferryl species, according to the following scheme: [6]

ا2 + NADPH + H + + RH → NADP + + H2O + ROH

Phase I reactions (also termed nonsynthetic reactions) may occur by oxidation, reduction, hydrolysis, cyclization, decyclization, and addition of oxygen or removal of hydrogen, carried out by mixed function oxidases, often in the liver. These oxidative reactions typically involve a cytochrome P450 monooxygenase (often abbreviated CYP), NADPH and oxygen. The classes of pharmaceutical drugs that utilize this method for their metabolism include phenothiazines, paracetamol, and steroids. If the metabolites of phase I reactions are sufficiently polar, they may be readily excreted at this point. However, many phase I products are not eliminated rapidly and undergo a subsequent reaction in which an endogenous substrate combines with the newly incorporated functional group to form a highly polar conjugate.

A common Phase I oxidation involves conversion of a C-H bond to a C-OH. This reaction sometimes converts a pharmacologically inactive compound (a prodrug) to a pharmacologically active one. By the same token, Phase I can turn a nontoxic molecule into a poisonous one (toxification). Simple hydrolysis in the stomach is normally an innocuous reaction, however there are exceptions. For example, phase I metabolism converts acetonitrile to HOCH2CN, which rapidly dissociates into formaldehyde and hydrogen cyanide. [7]

Phase I metabolism of drug candidates can be simulated in the laboratory using non-enzyme catalysts. [8] This example of a biomimetic reaction tends to give products that often contains the Phase I metabolites. As an example, the major metabolite of the pharmaceutical trimebutine, desmethyltrimebutine (nor-trimebutine), can be efficiently produced by in vitro oxidation of the commercially available drug. Hydroxylation of an N-methyl group leads to expulsion of a molecule of formaldehyde, while oxidation of the O-methyl groups takes place to a lesser extent.

Oxidation Edit

Reduction Edit

Cytochrome P450 reductase, also known as NADPH:ferrihemoprotein oxidoreductase, NADPH:hemoprotein oxidoreductase, NADPH:P450 oxidoreductase, P450 reductase, POR, CPR, CYPOR, is a membrane-bound enzyme required for electron transfer to cytochrome P450 in the microsome of the eukaryotic cell from a FAD- and FMN-containing enzyme NADPH:cytochrome P450 reductase The general scheme of electron flow in the POR/P450 system is: NADPH → FAD → FMN → P450 → O2

During reduction reactions, a chemical can enter futile cycling, in which it gains a free-radical electron, then promptly loses it to oxygen (to form a superoxide anion).

Hydrolysis Edit

Phase II – conjugation Edit

In subsequent phase II reactions, these activated xenobiotic metabolites are conjugated with charged species such as glutathione (GSH), sulfate, glycine, or glucuronic acid. Sites on drugs where conjugation reactions occur include carboxy (-COOH), hydroxy (-OH), amino (NH2), and thiol (-SH) groups. Products of conjugation reactions have increased molecular weight and tend to be less active than their substrates, unlike Phase I reactions which often produce active metabolites. The addition of large anionic groups (such as GSH) detoxifies reactive electrophiles and produces more polar metabolites that cannot diffuse across membranes, and may, therefore, be actively transported.

These reactions are catalysed by a large group of broad-specificity transferases, which in combination can metabolise almost any hydrophobic compound that contains nucleophilic or electrophilic groups. [1] One of the most important classes of this group is that of the glutathione S-transferases (GSTs).

Phase III – further modification and excretion Edit

After phase II reactions, the xenobiotic conjugates may be further metabolized. A common example is the processing of glutathione conjugates to acetylcysteine (mercapturic acid) conjugates. [11] Here, the γ-glutamate and glycine residues in the glutathione molecule are removed by Gamma-glutamyl transpeptidase and dipeptidases. In the final step, the cysteine residue in the conjugate is acetylated.

Conjugates and their metabolites can be excreted from cells in phase III of their metabolism, with the anionic groups acting as affinity tags for a variety of membrane transporters of the multidrug resistance protein (MRP) family. [12] These proteins are members of the family of ATP-binding cassette transporters and can catalyse the ATP-dependent transport of a huge variety of hydrophobic anions, [13] and thus act to remove phase II products to the extracellular medium, where they may be further metabolized or excreted. [14]

The detoxification of endogenous reactive metabolites such as peroxides and reactive aldehydes often cannot be achieved by the system described above. This is the result of these species' being derived from normal cellular constituents and usually sharing their polar characteristics. However, since these compounds are few in number, it is possible for enzymatic systems to utilize specific molecular recognition to recognize and remove them. The similarity of these molecules to useful metabolites therefore means that different detoxification enzymes are usually required for the metabolism of each group of endogenous toxins. Examples of these specific detoxification systems are the glyoxalase system, which acts to dispose of the reactive aldehyde methylglyoxal, and the various antioxidant systems that remove reactive oxygen species.

Quantitatively, the smooth endoplasmic reticulum of the liver cell is the principal organ of drug metabolism, although every biological tissue has some ability to metabolize drugs. Factors responsible for the liver's contribution to drug metabolism include that it is a large organ, that it is the first organ perfused by chemicals absorbed in the gut, and that there are very high concentrations of most drug-metabolizing enzyme systems relative to other organs. If a drug is taken into the GI tract, where it enters hepatic circulation through the portal vein, it becomes well-metabolized and is said to show the first pass effect.

Other sites of drug metabolism include epithelial cells of the gastrointestinal tract, lungs, kidneys, and the skin. These sites are usually responsible for localized toxicity reactions.

The duration and intensity of pharmacological action of most lipophilic drugs are determined by the rate they are metabolized to inactive products. The Cytochrome P450 monooxygenase system is the most important pathway in this regard. In general, anything that increases the rate of metabolism (على سبيل المثال, enzyme induction) of a pharmacologically active metabolite will ينقص the duration and intensity of the drug action. The opposite is also true (على سبيل المثال, enzyme inhibition). However, in cases where an enzyme is responsible for metabolizing a pro-drug into a drug, enzyme induction can speed up this conversion and increase drug levels, potentially causing toxicity.

متنوع physiological و pathological factors can also affect drug metabolism. Physiological factors that can influence drug metabolism include age, individual variation (على سبيل المثال, pharmacogenetics), enterohepatic circulation, nutrition, intestinal flora, or sex differences.

In general, drugs are metabolized more slowly in fetal, neonatal and elderly humans and animals than in adults.

Genetic variation (polymorphism) accounts for some of the variability in the effect of drugs. With N-acetyltransferases (involved in Phase II reactions), individual variation creates a group of people who acetylate slowly (slow acetylators) and those who acetylate quickly, split roughly 50:50 in the population of Canada. This variation may have dramatic consequences, as the slow acetylators are more prone to dose-dependent toxicity.

Cytochrome P450 monooxygenase system enzymes can also vary across individuals, with deficiencies occurring in 1 – 30% of people, depending on their ethnic background.

Dose, frequency, route of administration, tissue distribution and protein binding of the drug affect its metabolism.

Pathological factors can also influence drug metabolism, including liver, kidney, or heart diseases.

في السيليكو modelling and simulation methods allow drug metabolism to be predicted in virtual patient populations prior to performing clinical studies in human subjects. [15] This can be used to identify individuals most at risk from adverse reaction.

Studies on how people transform the substances that they ingest began in the mid-nineteenth century, with chemists discovering that organic chemicals such as benzaldehyde could be oxidized and conjugated to amino acids in the human body. [16] During the remainder of the nineteenth century, several other basic detoxification reactions were discovered, such as methylation, acetylation, and sulfonation.

In the early twentieth century, work moved on to the investigation of the enzymes and pathways that were responsible for the production of these metabolites. This field became defined as a separate area of study with the publication by Richard Williams of the book Detoxication mechanisms in 1947. [17] This modern biochemical research resulted in the identification of glutathione س-transferases in 1961, [18] followed by the discovery of cytochrome P450s in 1962, [19] and the realization of their central role in xenobiotic metabolism in 1963. [20] [21]


How could pharmaceutical metabolizing bacteria be used to synthesize them? - مادة الاحياء

The best way to mix the large vat in order to keep nutrient levels, temperature, and oxygen levels constant.

The ideal rate of pulling off some of the culture in order to maintain the cells in log phase.

The ideal rate of input of new nutrients into the culture to maintain the cells in log phase.

The best way to keep the pH of the entire mixture at the ideal level to promote log phase growth.

a packet containing chemicals that generate carbon dioxide and hydrogen is used in a(n) candle/anaerobic jar.

atmospheric oxygen in a(n) candle/anaerobe jar is converted to water.

oxidizing agents are incorporated into the media that react with oxygen.

Streak the sample for isolation on a MacConkey agar plate (which contains lactose and a pH indicator that turns pink when acid byproducts are present).

Streak the sample for isolation on a blood agar plate (which contains lactose AND red blood cells that enrich the culture for iron).

None of the above would work-there's no way to reliably determine this feature from the specimen given.

metabolically active cells.

vigorously dividing cells.

dormant, metabolically inactive cells.

temperature gradients AND pH gradients

sunlight AND metabolizing chemical compounds.

sunlight AND temperature gradients.

may significantly inhibit bioremediation efforts.

may protect organisms against harmful chemicals.

are a peptidoglycan-encased community of microorganisms.

Streak the sample for isolation on Thayer-Martin agar (which contains lactose and particular antibiotics for selectivity).

None of the above would work-there's no way to reliably determine this feature from the specimen given.

Streak the sample for isolation on a blood agar plate (which contains lactose AND red blood cells that enrich the culture for iron).

refers to a hydrolysate of proteins used in growth media.

consists of a water extract of beef.

refers to a hydrolysate of carbohydrates used in growth media.

refers to a hydrolysate of proteins used in growth media AND consists of a water extract of beef.

often grow in close association with many other kinds of organisms.

may remain in a prolonged exponential phase.

frequently synthesize structures such as slime layers.

may adhere to surfaces by means of pili and slime layers.

grown at a pH of 5 AND grown at 40C.

grown on agar containing chocolate AND grown at 40C.

grown on agar containing blood AND grown at 40C.

The temperature is probably different-the thermal vent would be very hot, while these researchers are trying to grow this microbe at room temperature.

Oxygen concentrations are very different between the two environments-it's possible the microbe is a strict anaerobe and is poisoned by the air (oxygen) in the lab.

Salt concentrations might be different in the media the researchers are attempting to use and the salt water the microbe is used to living in. This might be causing osmotic pressure differences that the microbe can't tolerate.

The pressure isn't the same at sea level as it is on the ocean floor and the microbe may require a very specific pressure.


The DNA revolution: a starring role for bacteria

The second half of the 20th century saw rapid breakthroughs in our understanding of how DNA (the genetic material within every cell ) functions. Within a couple of decades, scientists discovered what DNA looks like, how it acts as instructions for making the cell’s proteins, how DNA sequences can be altered and how DNA can be moved between different species .

Bacteria – particularly the bacterium الإشريكية القولونية – have been central to this revolution. كان بكتريا قولونية that was the first host for foreign DNA, and plasmid DNA from بكتريا قولونية has been a crucial tool for working with pieces of DNA from all species.


Comparative Genomics in Prokaryotes

T. RYAN GREGORY , ROB DESALLE , in The Evolution of the Genome , 2005

HGT between Bacteria and Archaea

Although far more emphasis has been placed on the study of horizontal transfer in Bacteria, there is evidence that the process also occurs among species of Archaea ( Boucher وآخرون. ، 2003). Transfer across these domains might be considered unlikely given the common (but incomplete) impression of Archaea as extremophiles experiencing little contact with bacteria, but there nevertheless are signs that such events do take place when bacteria and archaea share a common environment (e.g., Snel وآخرون., 2002 Boucher وآخرون., 2003 Brown, 2003 ).

As one commonly cited example, completion of the genome sequence of Thermotoga maritima, a thermophile and member of one of the deepest branching and most slowly evolving lineages of bacteria, revealed 24% of its genome to be more similar to representatives of the Archaea than to other bacteria, a much higher percentage than in most bacterial species ( Logsdon and Faguy, 1999 Nelson وآخرون., 1999 ). The preferred explanation for this unusual similarity was that there had been extensive horizontal gene transfer between the T. maritima and archaeon lineages ( Nelson وآخرون., 1999 ). Similarly, Aravind وآخرون. (1998) suggested that at least 10% of the genes of the thermophilic bacterium Aquifex aeolicus had been transferred from extremophilic archaea, although a revised estimate was closer to 4% ( Aravind وآخرون., 1999 Logsdon and Faguy, 1999 ). It bears noting that several alternative explanations (some of which were considered and rejected by Nelson وآخرون., 1999 , and Aravind وآخرون., 1999 ) have been offered for these patterns, including differential gene loss and/or divergence in thermophilic versus nonthermophilic bacteria, the expansion and resulting overrepresentation of a few gene families related to archaeal sequences, an ancient shared ancestry between the hyperthermophilic bacteria and archaeons (each of which is among the oldest lineages in its respective domain), or simply a current lack of orthologs from other bacteria in the existing gene databases ( Kyrpides and Olsen, 1999 Logsdon and Faguy, 1999 Brown, 2003 ).

Bacteria and Archaea may also cohabitate, and thus encounter opportunities to exchange genes, in nonextreme environments. Methanogenic archaea are very common in mammalian digestive tracts, for example, and therefore come into contact with well-known bacteria like بكتريا قولونية. Importantly, it seems that the transfer of archaeal genes may have played a role in the emergence of pathogenicity in virulent strains of بكتريا قولونية ( Faguy, 2003 ). As Faguy (2003) noted, if transfers can occur across these two (presumably) most distantly related domains, “then potentially any organism is a reservoir of virulence genes for pathogens.” There is also evidence that genes may pass from bacteria to methanogenic archaea, as for example with Methanosarcina mazei, about 30% of whose open reading frames appear to have closer affinities to bacterial sequences than to those of its fellow archaeons ( Deppenmeier وآخرون., 2002 ).


Scientists Give Genetically Modified Organisms A Safety Switch

Scientists reprogrammed the common bacterium بكتريا قولونية so it requires a synthetic amino acid to live.

Researchers at Harvard and Yale have used some extreme gene-manipulation tools to engineer safety features into designer organisms.

This work goes far beyond traditional genetic engineering, which involves moving a gene from one organism to another. In this case, they're actually rewriting the language of genetics.

The goal is to make modified organisms safer to use, and also to protect them against viruses that can wreak havoc on pharmaceutical production.

The Salt

Who Made That Flavor? Maybe A Genetically Altered Microbe

To understand what they've done, you may need to remember a bit of basic biology. The enzymes and other proteins in our bodies are all built from building blocks called amino acids. There are usually just 20 amino acids in nature. But George Church, a professor of genetics at Harvard Medical School, has created a bacterium that requires an additional amino acid, one made in the lab and not found in nature. His lab did that by rewriting the bacteria's genetic language to add a "word" that calls for this unnatural amino acid.

"So this really makes it a completely new branch of life," Church says.

These modified بكتريا قولونية bacteria essentially speak a different genetic language from all other life on Earth. That means they can't easily swap genes, which bacteria often do to pick up or get rid of traits. And it also means that these modified بكتريا قولونية must be fed the synthetic amino acid to survive.

"It will die as soon as you remove that essential nutrient," Church says.

The scientists say this radical re-engineering actually makes these synthetic life forms safer, because if they escape into the wild they'll die. One key question is whether these engineered bacteria can shed the traits that make them dependent on the synthetic amino acid. (Bacteria mutate all the time, picking up new traits and dropping others).

Genzyme had to halt production at its Allston, Mass., pharmaceutical plant in 2009, after bacteria used in manufacturing were contaminated with viruses. Brian Snyder/Reuters Landov إخفاء التسمية التوضيحية

Genzyme had to halt production at its Allston, Mass., pharmaceutical plant in 2009, after bacteria used in manufacturing were contaminated with viruses.

Brian Snyder/Reuters Landov

Church says that if his lab had modified just one trait, the bacteria would have a one in a million chance of getting rid of this safety feature. But by modifying several traits, he says the odds are more like one in a trillion that the bacteria can survive without the synthetic amino acid.

These modified organisms have another plus: With their altered genetic code, they are resistant to viruses that frequently attack bacteria. Viruses need the conventional DNA language in order to infect bacteria. So this is a selling point for industries that use بكتريا قولونية.

"If you get your factory contaminated, it can be hard to clean out for a year," Church says, pointing to an episode at Genzyme Corp., a Cambridge, Mass., pharmaceutical manufacturer, in 2009. Viruses there contaminated a plant where bacteria were used to make drugs for two rare genetic disorders, Gaucher disease and Fabry disease, cutting off supplies.

And industrial uses are potentially just the start for engineered organisms.

"This also sets the stage for opening up new types of applications going forward," said Farren Isaacs , an assistant professor of molecular, cell, and developmental biology at Yale University. Isaacs left Church's lab at Harvard to start his own at Yale. He has kept pace with his former boss. He, too, has built some safety features into بكتريا قولونية. Their reports were published together Wednesday in the journal طبيعة سجية.

Other uses might include engineering oil-eating bacteria to use on a spill. They could be killed off when they're done by withholding the essential nutrient. Isaacs says scientists could also engineer bacteria to produce probiotics for human consumption.

It's harder to think about how this technology could be used in agriculture. Countless acres of genetically engineered crops would need to be fed this manmade ingredient, from a crop duster or by some other means. Scientists would also need to show that the synthetic protein component is safe to eat.

"I think it's commendable they're starting to design safety into genetically modified organisms," says Jennifer Kuzma, co-director of the Genetic Engineering and Society Center at North Carolina State University. "However, I don't really think it's going to affect the public perception that much or the way we have to deal with the uncertainty anyway. You may reduce the chance of spread, but you cannot eliminate it completely."

Science doesn't offer absolutes. But this technology is evolving quickly, and Church says it's important to engineer in safety features as they go.


شاهد الفيديو: طريقة استخدام المنتج البكتيري وشرح مفصل (أغسطس 2022).