طراحی آزمایشگاهی ارتباط باکتریها

دانشمندان زیست‌شناسی مصنوعی راه “گفت‌و‌گو”ی باکتری‌ها با یکدیگر را بازطراحی کردند.

مهندسان زیستی، ” گفت‌و‌گو” یا نحوه برقراری ارتباط باکتری‌های بی‌ضررِ اشریشیا کلی با یکدیگر را بازطراحی کردند. پژوهشگران با این تحقیقات به‌دنبال راه‌هایی هستند تا اعمال مختلفی همچون ساخت دارو، تولیدِ زیستی ترکیبات با ارزش و تولید حسگرهای زیست‌محیطی را انجام دهند. در این پژوهش که در دانشگاه UC سن‌دیگو به سرپرستی جف هِیستی، استاد مهندسی زیستی در مدرسه‌ مهندسیِ Jacobs و استاد زیست‌شناسی در گروه علوم زیستی، انجام شد و در نسخه‌ چهارم مارچ 2020 مجله‌ Nature Communications منتشر گردید، سلول‌های باکتری اشریشیا کلی مهندسی شدند تا در محدوده‌ خاصِ جمعیتی قادر به ارتباط با یکدیگر به وسیله‌ سیگنال‌های شیمیایی نباشند، مگر در حضور یک مولکول خارجی خاص.

تابه‌حال، زیست‌شناسان از روش‌های طبیعی ارتباطات باکتریایی که با نام Quorum Sensing شناخته می‌شوند، استفاده می‌کردند تا ارتباطات باکتریایی را که برای کارهایی مثل دارورسانی ‌هدفمند (دارونشانی) استفاده می‌شد، کنترل کنند. Quorum Sensing در باکتری‌ها براساس تولید، ترشح و دریافت مولکول‌های کوچک در یک کلنی باکتریایی، انجام می‌شود. اغلب این سیستم‌ها روی منابع داخلی یک سلول برای تولید سیگنال‌های ملکولی تکیه می‌کنند.

یکی از مشکلات سیستم‌های Quorum Sensing این است که تنظیم دقیق آن‌ها بسیار دشوار است. برای رفع این مشکل، پژوهشگران UC سن‌دیگو یک سیستم “Quorum Sensing الحاقی” را اختراع نمودند. این سیستم طراحی شده ‌است تا به زیست‌شناسان مصنوعی تسلط بیشتری روی سیستم ارتباطات باکتریایی بدهد و به این ترتیب آن‌ها تسلط بیشتری روی اعمال مفیدی که کلونی‌های باکتریایی انجام می‌دهند، خواهند داشت.

با الهام از یک مدار ژنتیکی در رودوسودوموناس پالوستریسِ فتوسنتزکننده (که برای اولین ‌بار در سال 2008 در متون علمی بیان شد)، پژوهشگران UC سن‌دیگو سیستم Quorum Sensingای را به‌ وجود آوردند که تنها زمانی فعال می‌شود که یک ترکیب گیاهی به نام p-coumaric acid در محیط حاضر باشد. این ترکیب در اکثر میوه‌ها و سبزیجات یافت می‌شود. میانو می‌گوید: “باکتری‌ها براساس مقدار p-coumaric acid موجود در محیط، به طور متفاوتی با هم هماهنگ می‌شوند. اگر هیچ اسیدی به آن ندهیم، باکتری‌ها نمی‌توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند؛ اگر مقدار متوسط غلظت اسید ارائه شود، قادر به ارتباط، سیگنال‌دهی و انتقال اطلاعات در حد و اندازه‌ کلونی خود خواهند بود؛ و اگر بیش ‌از حد اسید به کلونی داده ‌شود، آن‌ها سیگنال‌های مولکولی را بیش ‌از حد تولید خواهند کرد که باعث می‌شود رفتارشان طوری تغییر کند که انگار از ابتدا بخشی از یک کلونی بزرگ بوده‌اند.” اما در پژوهشی، محققان حضور غلظت بالای p-coumaric acid را در محیط باکتری‌ها ارائه کردند و این غلظت بالا باعث شد تا تمام سلول‌ها به خاطر اجبار برای تولید پروتئین تجزیه‌ای، فارغ از اندازه‌ کلونی، از بین بروند.

پژوهشگران دانشگاه UC سن‌دیگو با استفاده از بیان ژن همزمان، با همراهی یک ژن لیزکننده، مدار Quorum Sensing الحاقی خود را به ‌نمایش گذاشتند که می‌تواند هماهنگی سلول باکتریایی را در زمان و مکان کنترل کند. انتخاب ژن لیزکننده برای نمایش مدار الحاقی بر پایه‌ پروژه‌های سابق آزمایشگاه هِیستی در UC سن‌دیگو انجام‌شد و شامل پژوهش‌هایی درباره‌ این موضوع بود که لیز سلول باکتریایی چگونه می‌تواند به رساندن داروهای ضدسرطان به محیط اطراف یک تومور کمک ‌کند.

در تحقیقات جدید، پژوهشگران UC سن‌دیگو نشان‌دادند که مدار الحاقی چگونه می‌تواند به طور قابل توجه به تسلط بیشتر روی این نوع از دارورسانی، درمقایسه با روش‌های طبیعی Quorum Sensing کمک‌کند. به ‌طور ویژه، پژوهشگران از غلظت‌های پایین و متوسط p-coumaric acid استفاده‌کردند تا باعث شوند کلونی‌های باکتریاییِ حاوی هر دو مدار الحاقی و ژن لیزکننده، بین عدم دارورسانی و دارورسانی متناوب، به طور مداوم تعویض انجام‌ دهند. در استفاده از یک ژن لیزکننده و سیستم سنتی Quorum Sensing بسته دارویی فقط زمانی ارسال می‌شود که باکتری‌ها به میزان کافی از جمعیت و تراکم رسیده ‌باشند. میانو می‌گوید: “ما در حال حاضر اولین گام‌های ممکن برای این سیستم ارتباطی را برداشته‌ایم و بسیار مشتاقیم تا کارکردهایی را که از مرتبط‌کردن این سیستم با بیان ژن‌های مختلف به ‌وجود می‌آید، ببینیم.”