|  |
مجله معتبر ساینس (Science) امسال به روال مرسوم هر ساله، در آخرین شماره سال 2012، بخش ویژه ای را به بررسی رویدادهای علمی مهم سال 2012 و انتخاب 10 رویداد برتر اختصاص داده است. در این بین دستاوردهای ارزنده دانش زیست شناسی و ژنتیک مثل همیشه خودنمایی می نمایند.
دست اندرکاران مجله ساینس کشف ذره "بوزون هیگز" را به عنوان برترین پیشرفت علمی در سال 2012 انتخاب کردند. گفته می‌شود، کشف این ذره می‌تواند چگونگی جرم‌‌دار شدن ماده توسط ذرات بنیادی بدون جرم دیگر را توضیح دهد. بوزون هیگز، در مرکز تحقیقات فیزیک "سرن" و با هزینه پنج و نیم میلیارد دلار کشف گردید.
ولی در کنار این پیشرفت قابل توجه در حوزه فیزیک ذرات، رویدادهای مربوط به حوزه زیست شناسی نیز جایگاه ویژه ای را در بین 10 رویداد برتر سال 2012 به خود اختصاص داده اند. سال 2012، سال مهمی برای فیزیک ذرات (کشف شبه ذرات بوزون هیگز، نوترینو ها و ماجورانا) و همچنین سال مهمی برای کشفیات زیست شناسی (تولید تخمک از سلول های بنیادی، مشتق شدن برخی از ژن های مدرن انسانی از اجداد دنیسووان و دانشنامه عناصر DNA ژنوم انسان) به حساب می آید. علاوه براین 3 پیشرفت تکنولوژیک نیز در این لیست جای می گیرند: واسط های مغز/ماشین عملیاتی در حوزه دانش بیونیک، TALENS به عنوان ابزاری در خدمت مهندسی ژنتیک و تعیین ساختار پروتئین بوسیله لیزر اشعه ایکس. در نهایت فرود کاوشگر "کنجکاوی" بر روی سیاره مریخ که به عنوان محصول مشترک فیزیک و دانش مهندسی در لیست 10 رویداد برتر علمی مجله ساینس قرار گرفته است.
پروژه ENCODE: دانشنامه عناصر DNA ژنوم انسان
نتایج یک مطالعه که در یک دهه و با بودجه 288 میلیون دلاری انجام شده است، امسال در بیش از 30 مقاله علمی ارائه شد. این تحقیقات ارزشمند که حاصل کار 442 محقق روی صدها تیپ سلولی و بیش از 20 هزار ژن رمز کننده پروتئین و حدود 18 هزار توالی رمز کننده RNA می باشد، نشان می دهد که ژنوم انسان محیطی شلوغ تر و پر سرو صدا تر از آن است که قبلاً فرض می شده است. این پروژه که دانشنامه عناصر DNA (Encyclopedia of DNA Elements) یا به اختصار ENCODE نام گرفته است، بر اساس پروژه ژنوم انسان شکل گرفته، پروژه ای که طی آن انقلابی در زیست فناوری و علوم زیستی به پا شد، ترتیب و توالی بازهای مولکول های DNA انسان کشف شد و در نتیجه آن مشخص شد که تنها کمتر از 2 درصد این توالی بزرگ DNA که در کروموزوم ها نگهداری می شوند، ژن های رمز کننده پروتئین ها هستند.
محققان پروژه ENCODE این بار نگاه خود را به توالی های بین ژن ها و 98 درصد دیگر ژنوم انسان معطوف کردند. نتایج تحقیقات آنها نشان می دهد که این بخش از توالی DNA که قبلاً بی ارزش (Junk) خوانده می شد، نقش بسیار ضروری و مهمی و خصوصاً در تنظیم بیان ژن ها (دو درصد دیگر ژنوم) دارند. این محققان هزاران قسمت مختلف ژنوم که پروتئین های موثر بر بیان ژن ها با آنها کنش داشته یا توالی های مختلفی که RNAهای گوناگون را رمز کرده یا جایگاه هایی که با تغییرات شیمیایی منجر به خاموشی ژن ها می شوند را بررسی کرده و به این نتیجه رسیدند که 80 درصد ژنوم به صورت بیوشیمیایی فعال است. این نتایج به درک ما از نحوه تنظیم بیان ژن ها و کنترل آن کمک می کند. نتایج این تحقیق بلافاصله در بررسی عوامل مخاطره انگیز ژنتیکی در طیف وسیعی از بیماری ها مثل MS مورد استفاده قرار گرفته است.
از دیگر نتایج جالب توجه این پروژه این است که 76 درصد DNA ژنومی به RNA رونویسی می شود ولی به پروتئین ترجمه نمی شود. این موضوع شاید منجر به کشف برخی نقش های دیگر RNA در سلول شود در حالی که بسیاری اعتقاد دارند که RNA های زیادی در سلول بدون هدف ساخته می شوند.
محققان پروژه ENCODE نزدیک به چهار میلیون ناحیه در ژنوم 349 تیپ سلولی شناسایی کرده اند که عوامل رونویسی به آنها متصل می شوند ولی معلوم نیست که چند درصد این اتصالات موثر هستند. این تحقیق انقلاب دیگری در زیست فناوری و علوم زیستی ایجاد کرده است.
جهش در تکنیک توالی یابی ژنوم نمونه های باستانی
پیش از این و در سال 2010 نیز فعالیت های گروهی از متخصصین علم سنگواره شناسی ژنتیکی، در پی انتشار توالی کامل ژنوم هسته ای انسان های نئاندرتال، در بین رویدادهای برتر سال مجله ساینس قرار گرفته است. علاوه بر این، همان گروه در سال 2011 نیز توانستند با کنار هم قرار دادن قطعاتی از ژنوم یک دنیسووان (Denisovans)، نژادی از انسان های اولیه که در حدود 50000 سال پیش در سیبری می زیسته است، جایی برای خود در بین اخبار مجله ساینس باز کند. ولی با تمامی این تفاسیر بایستی توجه داشت که توالی ژنومی این نمونه های باستانی از لحاظ دقت و جزییات با توالی های ژنومی که امروزه از نمونه های زنده به دست می آیند قابل مقایسه نیستند. بخش اعظم مولکول DNA صدمه دیده ای که از فسیل ها استخراج می گردد به مولکول های تک رشته ای شکسته شده و دستگاه های خودکار توالی یابی قادر به خواندن توالی این قطعات تک رشته ای نیستند. همین دست مشکلات تکنیکی سبب شده است تا پژوهشگران تنها به رمزگشای قطعاتی از ژنوم استخراج شده از فسیل انسان های اولیه، حیوانات و پاتوژن های باستانی رضایت دهند.
در سال 2012 ماتیاس میر پژوهشگر بخش انسان شناسی تکاملی موسسه ماکس پلانگ واقع در لایبزیگ آلمان، روش جدیدی را ابداع کرده که به گروه وی این امکان را داد تا مجددا به سراغ DNA دنیسووان ها رفته و آن را با دقتی چند ده برابری توالی یابی کند. توالی یابی ژنوم مربوط به فسیل دختری به دست آمده از غار دنیسووان در سیبری، با این روش جدید مشخص کرده که ژنوم استخراج شده از این فسیل با همان دقت نمونه های زنده توالی یابی شده است. این امید وجود دارد که با به کارگیری این پیشرفت فناوری در مورد سایر نمونه ها و گونه ها، پیشرفت چشمگیری در حوزه توالی یابی ژنوم های باستانی حاصل گردد.
پژوهشگران فعال در حوزه مطالعه نمونه های DNA باستانی برای توالی نمونه های خود، پیش از این از شکل تغییر یافته ای از ابزارهای توالی یابی ژنوم نمونه های زنده بهره می بردند که از DNA دو رشته ای به عنوان نقطه آغازین فرآیند توالی یابی استفاده می کند. دکتر میر برای رفع مشکل شکستن مولکول DNA به قطعات تک رشته ای، مولکول هایی ویژه ای را به دو انتهای این مولکول های DNA تک رشته ای افزوده و با ثابت کردن آنها، توالی یابی از DNAهای تک رشته ای را امکان پذیر می سازد. میر و همکارانش با به کارگیری این روش و تنها استفاده از 6 میلی گرم از استخوان انگشت کوچک فسیل دختر سیبریایی، موفق شدند حداقل در یک مرتبه 99.9% و در 20 مرتبه 92% از ژنوم را کپی کنند.
نتایج حاکی از آن هستند که دنیسووان ها با اجداد برخی از انسان های فعلی آمیزش داشته اند؛ به عبارت دیگر ساکنین کنونی بخشی از جزایر جنوب شرق آسیا 3% از ژنوم هسته ای خود را از دنیسووان ها به ارث برده اند. البته توالی یابی ژنوم این فسیل تا حدودی ویژگی های ظاهری این دختر را نیز مشخص کرده و به نظر می رسد که رنگ چشم، مو و پوست وی قهوه ای بوده است. این روش همچنین به این گروه امکان داده است که با استفاده از DNA، تاریخ مرگ این دختر را بین 74000 تا 82000 سال پیش تخمین بزند و این نخستین مرتبه ای است که پژوهشگران با استفاده از اطلاعات ژنومی توانسته اند عمر یک انسان اولیه را تخمین بزنند.
کیفیت بالای ژنوم به دست آمده، ابزار جدید و قدرتمندی را در اختیار پژوهشگران قرار داده تا به کمک آن به جستجوی ژن هایی بپردازند که اخیرا تکامل یافته اند. به این ترتیب می توان طرح کامل تری از مجموعه تغییرات ژنتیکی را فراهم آورد که ما را از دنیسووان ها به عنوان خویشاوند نزدیک نئاندرتال ها جدا می کنند.
این جزییات به ظاهر اندک، در مورد دنیسووان ها بسیار حائز اهمیت می باشد زیرا فسیل های اندکی از آنها یافت شده است. تا به حال تنها یک قطعه کوچک استخوان انگشت و دو دندان آسیاب با قطعیت به این نژاد منتسب شده است. اما در مقابل کشف صدها فسیل از نئادرتال ها، البته غالبا فاقد ژنوم کامل، شناخت بهتری از این گونه فراهم آورده است.
احتمالا متخصصین نئاندرتال ها به زودی به این تکنیک جدید مسلح شوند. میر و همکارانش نیز در تلاشند تا "روش ماتیاس" را بر روی فسیل های که تا پیش از این در توالی یابی ژنوم آنها ناموفق بوده اند امتحان کنند. این انتظار وجود دارد که در سال 2013 در مقایسه با دنیسووان ها ژنوم به مراتب دقیق تری از نئادرتال ها به دست آید.
موشک های کروزی که ژنوم را هدف قرار می دهند
امسال پژوهشگران حوزه مهندسی ژنوم ابزار جدید و قدرتمندی را در اختیار زیست شناسانی قرار داده اند که به کمک آن می توانند در آینده نزدیک تغییرات ژنتیکی مورد نظر خود را به راحتی در طیف وسیعی از موجودات از مخمرها گرفته تا انسان ها، ایجاد نمایند.
TALEN ها که نام آنها مخفف عبارت "Transcription Factor – Like Effector Nuclease" است، از جمله این ابزار هستند که قادرند ژن های معینی را در ژنوم موجوداتی همچون ماهی گورخری، غورباقه یا احشام، تخریب کرده و یا تغییر دهند. یک TALEN در حقیقت پروتئینی است که می تواند DNA را در یک جایگاه خاص برش زده و پس از ترمیم DNA در ناحیه برش خورده به تغییر در ژن مورد نظر منتج می شود. گروهی از پژوهشگران به کمک این پروتئین ها موفق به تولید نوعی خوکچه مینیاتوری شده اند که از آن می توان در مطالعات مربوط به بیماری های قلبی بهره برد. برخی گروه ها نیز توانسته اند با استفاده از TALENها ژنوم موجود در سلول های موش، جیر جیرک و حتی سلول های بیماران مبتلا به بیماری های خاص را تغییر دهند. محققان از طریق انجام مطالعات کریستالوگرافی بر روی این پروتئین ها توانسته اند نحوه میانکنش آنها باDNA را تا حدودی مشخص نمایند. برخی گروه های پژوهشی نیز پا را فراتر گذاشته و روش هایی را ابداع کرده که به کمک آنها می توان TALENهای ارزان تر و سریع تری را تهیه کرد.
دست یابی به چنین پیشرفت شگرفی در حوزه مهندسی ژنوم حتی تا همین چند سال پیش نیز امری غیر قابل تصور به شمار می آمد زیرا تغییر یا حذف DNA برای اغلب موجودات زنده پیشرفته تاکنون عموما یک فرآیند تصادفی و متاثر از شانس و احتمال بوده است. در واقع با روش های فعلی محققین به راحتی نمی توانند محل ورود ژن به ژنوم و یا حذف DNA از ژنوم را کنترل کنند.
تاریخچه مهندسی ژنوم به حدود یک دهه پیش و ظهور فناوری جدیدی به نام نوکلئازهای انگشت روی باز می گردد که به کمک آنها می شد ژن های مشخصی را مورد هدف قرار داد. پس از آن نیز محققین دائما در تلاش بودند تا بتوانند این فناوری را توسعه داده و بهینه سازی کنند. ولی نوکلئازهای انگشت روی با مشکلاتی نیز مواجه بودند از جمله آنکه تمامی پتنت های کلیدی در این زمینه تنها در اختیار یک شرکت تجاری بود. ولی در سال 2009 و با اعلام کشف وجود یک رابطه یک به یک بین نواحی تکراری TALENها و توالی DNA محل اتصال آنها، امیدها برای شکل گیری ابزاری جدید برای هدف قراردادن ژن ها در بین محققین فعال در زمینه مهندسی ژنوم شکل گرفت. در سال 2012 با مشخص شدن این نکته که TALEN به همان خوبی نوکلئازهای انگشت روی کار می کنند و در مقایسه با آنها به مراتب سریعتر و ارزان تر هستند، مطالعه در این زمینه به نقطه اوج خود رسید به طوری که امروزه برخی پژوهشگران معتقدند که استفاده از TALENها به روش استاندارد تمامی آزمایشگاه های زیست شناسی مولکولی تبدیل خواهد شد. البته در همین زمان، فناوری هدف گیری ژنی جدیدی نیز در بین سایر فناوری های موجود کم کم جای خود را باز کرده است. یکی از مشکلات نوکلئازهای انگشت روی، TALENها و ابزار ویرایش کننده ژنومی دیگری به نام مگانوکلئازها، نیاز به باز مهندسی برای هر هدف DNA جدید است.
این پروتئین ها معمولا شامل دو بخش هستند: یک بخش شناسایی کننده توالی هدف و یک بخش برش زننده DNA. در فناوری جدید برای بخش شناسایی کننده توالی هدف از یک مولکول RNA، که ساخت آن به مراتب راحت تر از ساختن یک قطعه پروتئین است، استفاده می شود. این فناوری برای برش DNA نیز از یک پروتئین باکتریایی به نام Cas9 بهره می برد که بخشی از یک سیستم دفاعی باکتریایی طبیعی به نام CRICPR می باشد.
پژوهشگران نشان داده اند که حتی در یک لوله آزمایش نیز می توان این سامانه را ایجاد کرد؛ تنها کافی است که دو مولکول RNA را طوری ترکیب کرد که یک مولکول RNA دورشته ای ایجاد شود که بتواند هم به مولکول DNA هدف متصل شود و هم پروتئین Cas9 را در خود جای دهد. با استفاده از این سیستم می توان یک توالی اختصاصی را مورد هدف قرار داد و سپس به وسیله Cas9 و با کارایی مشابه با TALEN برش زد. در حال حاضر این گروه از پژوهشگران در تلاش هستند تا این سامانه جدید را بر روی ژنوم موجوداتی به جز باکتری ها آزمایش کنند. این گونه فعالیت ها حاکی از آن است که شاید روزی این فناوری جدید، نوکلئازهای انگشت روی و TALENها را به عنوان هسته مرکزی مهندسی ژنوم به چالش بکشند.
تولید تخمک از سلول های بنیادی
پژوهشگران بیش از یک دهه در تلاش بودند تا در محیط آزمایشگاهی سلول تخمک را تولید نمایند. سرانجام امسال با تولد اولین موش از تخمک به دست آمده از سلول های جنینی موش توسط یک گروه ژاپنی قدم مهمی در این زمینه برداشته شد. با این وجود این تکنیک جدید تا رسیدن به هدف نهایی خود یعنی تولید سلول تخمک در محیط کاملا غیرزنده هنوز فاصله دارد زیرا تخمک های حاصل در طی یکی از مراحل کلیدی باروری خود، به یک موش میزبان زنده نیازمند هستند.
تخمک ها و اسپرم ها یا به عبارتی سلول های زایا، از مسیر تکوین پیچیده ای برخودار هستند. سلول های زایا در طی مسیر تبدیل به اووسیت های باور دو تقسیم میوز را پشت سر گذاشته و الگوی نقش پذیری ژنومی و همچنین الگوی تنظیم بیان ژن های خود را باز تعریف می کنند. تبدیل سلول های بس توان از جمله سلول های بنیادی جنینی به سلول های زایا، علی رغم توانایی آنها در تبدیل شدن به تمامی انواع سلول های بدن، در شرایط آزمایشگاهی با مشکلات بسیار همراه است. این
گروه ژاپنی پیش از این و در سال 2011 نیز گزارشی را مبنی بر تبدیل سلول های بنیادی جنینی به اسپرم های بارور منتشر کردند و فعالیت آنها سرانجام در سال 2012 به تولید تخمک از روش مشابهی منجر گردید.
در روش ابداعی این گروه ابتدا سلول های بنیادی جنینی با مخلوطی از فاکتورهای رشد و پروتئین های مختلف تیمار شده و در نتیجه آن به سلول هایی به نام سلول های شبه زایای اولیه تبدیل می شوند که بسیار شبیه به پیش سازهای اسپرم و تخمک موجود در جنین های اولیه هستند. در مرحله بعدی و به دنبال آمیختن سلول های شبه زایا با بافت تخمک، توده ای سلول به دست می آید که شبیه به تخمدان های کوچک است. پس از آن این توده سلولی در تخمدان ها یا کلیه های موش میزبان کاشته شده و پس از طی چند هفته می توان اووسیت های بالغ را از میزبان استخراج نمود.
پژوهشگران این گروه تحقیقاتی اووسیت حاصل را در محیط آزمایشگاهی و با استفاده از اسپرم های طبیعی بارور کرده، سپس جنین اولیه را در رحم مادر جانشین کاشته و پس از طی مدت بارداری موش های طبیعی و زنده و زایا به دنیا می آیند. این روش برای سلول های بنیادی بس توان القایی به دست آمده از سلول های بالغ نیز قابل اجراست. با این حال این تکنیک هنوز برای سلول های انسانی قابل انجام نیست و نیاز به بافت تخمدانی و همچنین یک میزبان زنده برای بخشی از تکوین تخمک، انجام این فرآیند را غیر عملی و با مشکلات اخلاقی مواجه کرده است.
تعیین ساختار پروتئینی به کمک لیزر
از نخستین مرتبه ای که دانشمندان با کمک پراش اشعه ایکس توانستند ساختار سه بعدی مولکول های کریستالی شده را تعیین نمایند، نزدیک به یکصد سال می گذرد. اما امسال پژوهشگران موفق شدند تا با استفاده از یک لیزر اشعه ایکس و تعیین ساختار یک پروتئین، کارایی تکنیک پراش اشعه ایکس را تقریبا به حد نهایی خود برسانند.
پراش اشعه ایکس مدت مدیدی است که نقطه اتکای زیست شناسی ساختاری به حساب می آید. در یک فرآیند پراش اشعه ایکس معمولی تعداد بسیاری از یک مولکول بر روی یک شبکه کریستالی دارای ساختار منظم، چیده شده و اشعه های ایکس موجود در یک پرتوی ورودی را به صورتی هماهنگ متفرق می کنند. در نهایت نیز الگوی پراکنش اشعه ایکس الگوی ساختار کریستالی و مولکول های موجود در آن را آشکار می نماید.
در یک دستگاه پراش اشعه ایکس، برای تولید اشعه ایکس از یک شتاب دهنده ذرات حلقوی به نام سینکروترون استفاده می گردد. حال آنکه در تکنیک کریستالوگرافی جدید با استفاده از لیزر اشعه ایکس، سینکروترون جای خود را به یک شتاب دهنده خطی داده است که می تواند یک منبع نوری را فراهم آورد که درخشش آن یک میلیون برابر بیشتر از سینکروترون است. در نوامبر 2012 محققین آلمانی و آمریکایی آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC در ایالات متحده آمریکا با به کارگیری منبع نوری متمرکز خطی (LCLS) موفق شدند ساختار فرم پیش ساز غیرفعال یکی از آنزیم های کلیدی Trypanosoma brucei، عامل بیماری خواب، را تعیین نمایند. پالس اشعه ایکس به موازات ایجاد یک الگوی پراش، می تواند به نابودی کریستال نمونه نیز منجر شود به همین جهت محققین این گروه برای تعیین ساختار این آنزیم مجبور شدند تا 178875 الگوی مجزا را بر روی یکدیگر قرار دهند. با وجود پیشرفت حاصل شده هنوز با اطمینان نمی توان گفت لیزرهای فاقد الکترون اشعه ایکس (XFEL) جای سینکروترون ها را در زیست شناسی ساختاری خواهند گرفت.
ماشین تحرکی مغزی
یک گروه پژوهشی که قبلا نشان داده بود مغز چطور می‌تواند برای تغییر محل نشانگر بر روی صفحه کامپیوتر مورد استفاده قرار گیرد، سال ۲۰۱۲ یک دستاورد ارزنده دیگر داشتند.
این گروه نشان داد که چطور افرادی که فلج شده یا بیمار هستند می‌توانند با استفاده پالس‌های فکری و از طریق سیم‌های جاسازی شده در مغز خود یک بازوی الکترو-مکانیکی را حرکت دهند. به گفته کونتز، معاون سردبیر علمی مجله ساینس: "این پیشرفت در سال ۲۰۱۲ بسیار امیدبخش بوده و این اطمینان وجود دارد که کاربردهای بیشتری خواهد داشت. حال که این فناوری به شکل کاربردی درآمده، قیمت آن نیز پایین خواهد آمد و با مرور زمان فراگیرتر و مفیدتر عمل خواهد کرد."
ترجمه امیر حسین منصوری و کسری اصفهانی
منبع: Science
|
|
